Біологія. Довідник школяра та абітурієнта

Генетична інженерія

Поняття генетична інженерія та генна інженерія часто вживають як синоніми, хоча перше з них є ширше та передбачає маніпуляції не лише з окремими генами, а й з більш значними фрагментами геному, включно із цілими хромосомами.

Генетична інженерія — напрям науки, метою якого є створення організмів з новими комбінаціями спадкових ознак, зокрема й таких, яких не виявляють у природі. Це здійснюється шляхом спрямованого перенесення людиною конкретних генів або їх комплексів з одного організму в інший, закріплення цих генів у новому генетичному оточенні та забезпечення їх вираження у даній генетичній системі. У генетичній інженерії використовують такі способи: злиття соматичних (нестатевих) клітин або протопластів різних клітин одного чи різних видів організмів; перенесення з однієї клітини в іншу ядер клітин, хромосом або їх фрагментів; введення в клітини конкретних генів.

Останній спосіб застосовує спеціальний напрям генетичної інженерії — генна інженерія, яка використовує біотехнологічні прийоми спрямованого конструювання рекомбінатних молекул ДНК на основі ДНК, взятої з різних джерел.

Генна інженерія ґрунтується на молекулярній біології, яка дає можливість вносити зміни в молекулярну взаємодію основних біологічних молекул у клітині та поза нею. Біологи оволоділи методами, які дають змогу маніпулювати біологічними молекулами, досліджувати та змінювати їх структуру. За рахунок змін в основних біологічних молекулах ДНК є можливість створювати варіанти живих систем, які не виникають у результаті природної еволюції.

Технології одержання рекомбінантних молекул ДНК і клонування (розмноження) генів передували методи, за допомогою яких молекулу ДНК розщеплюють на фрагменти, модифікують і знову реконструюють в одне ціле. При цьому мають багато копій цієї молекули. Потім, використовуючи цю рекомбінанту молекулу, можна синтезувати молекули РНК та одержати білок з певними якостями й властивостями.

Для отримання генів, їх поєднань з векторними молекулами в генній інженерії використовують специфічні ферменти: ревертази — ферменти, які каталізують синтез нитки ДНК на матриці і-РНК; рестриктази — ферменти, які розрізняють нуклеотидні послідовності; лігази — ферменти, які поєднують (змивають) нуклеотидні послідовності.

Основні методи генної інженерії були розроблені у 60-70-х роках XX ст. Вони включають три основні етапи: отримання генетичного матеріалу, копіювання і розмноження генів, перенесення та включення генетичного матеріалу в геном.

I. Для отримання генетичного матеріалу застосовують:

• метод хімічного синтезу генів поза організмом (отримання невеликих генів на основі розшифрованої послідовності нуклеотидів);
• метод ферментативного синтезу генів поза організмом (синтез складних генів за допомогою процесу зворотної транскрипції);
• метод виділення природних генів з генома організмів (отримання природних генів з метою створення рекомбінативних ДНК — рекДНК).

II. Для копіювання та розмноження генів використовують:

• метод клонування генів (Метод виділення та розмноження окремих генів у реципієнтних клітинах);
• метод молекулярного клонування в складі плазмідних векторів (розмноження молекул ДНК у складі плазмід);
• метод молекулярного клонування в складі вірусних векторів (розмноження фрагментів ДНК у складі молекул ДНК вірусів та бактеріофагів).

III. Для перенесення та включення генетичного матеріалу в геном застосовують:

• методи трансформації (для перенесення плазмідних векторів);
• методи трансдукції (для перенесення вірусних векторів);
• методи трансрекції (для адресного перенесення і включення молекул ДНК в клітини за допомогою ліпосом);
• методи перенесення метафазних хромосом.

Досягнення генної інженерії на сучасному етапі

• 1. Отримано високопродуктивні штами мікроорганізмів, які синтезують інсулін, інтерферони, гормон росту, вітаміни, ферменти.
• 2. Створено банк генів — колекції генів різних організмів, що є необхідним для подальших досліджень і розвитку генної інженерії.
• 3. Розвинулася генотерапія — лікування спадкових, онкологічних, деяких вірусних захворювань шляхом уведення генів у клітини пацієнтів з метою спрямованої зміни генних дефектів або надання клітинам нових функцій.