Підручник з Біології і екології. 11 клас. Шаламов - Нова програма

§ 42. Генна й клітинна інженерія

Методи генної інженерії дозволяють створювати генетично модифіковані організми

Традиційну селекцію можна розглядати як певну генетичну маніпуляцію — дії селекціонера/селекціонерки призводять до спрямованих змін генофонду популяції. Але такий вплив на генотипи є опосередкованим. Нині знання базових генетичних механізмів відкриває шлях до безпосередніх маніпуляцій із генетичним матеріалом — ДНК організму. Сукупність методів зміни спадкового матеріалу організмів із метою отримання в них або їх нащадків заданих властивостей називають генною (генетичною) інженерією. Організм, чий геном було змінено, уважають генетично модифікованим організмом (ГМО).

У генній інженерії можливі два основних підходи. Перший — редагування генома з метою покращення властивостей. Цей підхід дозволяє позбутися небажаних ознак або посилити необхідні. Другий підхід — перенесення гену із генома одного організму до генома іншого. Метою цього підходу є отримання одним організмом бажаної ознаки, що характерна іншому — донорові гена. Такий організм, у геномі якого є чужорідний ген, отримав назву трансгенний. Важливо розуміти, що ГМО є ширшим поняттям, ніж трансгенний організм, але будь-який трансгенний організм в будь-якому разі є ГМО.

Завдяки генетичній рекомбінації формуються нові молекули ДНК

Ключовим етапом отримання генетично модифікованого організму є об'єднання різних молекул ДНК для подальшої генної модифікації. Процес об'єднання декількох молекул ДНК в одну називають генетичною рекомбінацією. Здійснюють цей процес так: обидві молекули ДНК обробляють спеціальними ферментами — рестриктазами, які розрізають дволанцюгову ДНК у певних місцях. При цьому утворюються «липкі кінці» — ділянки одноланцюгової ДНК, що мають властивість формувати дволанцюгову структуру разом із комплементарною ділянкою іншої ДНК — іншим «липким кінцем». Під час змішування різних молекул ДНК, які мають липкі кінці, відбувається їх об'єднання в єдину рекомбінантну молекулу ДНК. Далі обидва однониткові розриви зшивають за допомогою ферменту ДНК-лігази (рис. 42.1).

Рис. 42.1. Схема створення рекомбінантної ДНК на основі бактеріальної плазміди

Здійснити генетичну модифікацію мікроорганізмів не складно

Генетична модифікація бактерій є доволі рутинною процедурою. У природніх умовах бактерії здатні захоплювати з довкілля невеликі фрагменти ДНК і включати їх у свій геном. Цей процес називають трансформацією. У лабораторії природодослідник чи дослідниця може створювати умови, що полегшують трансформацію, забезпечуючи захоплення відносно великих молекул ДНК, наприклад, плазмід. Зазвичай для цього клітини бактерій піддають дії стресових факторів: високої температури, електричного поля, хімічних реагентів. Завдяки їм у мембрані бактерій утворюються тимчасові пори, через які до клітини й проникає ДНК із чужими генами (рис. 42.2). У такий спосіб було отримано клітини кишкової палички, здатні синтезувати людський інсулін1, інтерферон, гормон росту соматотропін та інші білки, що застосовують у медицині.

Окрім синтезу чужорідних речовин, завдяки генній інженерії вдалося отримати штами, що виробляють у більших кількостях антибіотики, вітаміни, амінокислоти та інші природні для бактерій речовини. Здебільшого це було досягнуто завдяки порушенню механізмів регуляції синтезу або введенню додаткових копій генів.

Рис. 42.2. Генетична модифікація бактерій

Завдяки рестиктазі вирізається потрібний фрагмент із чужорідної ДНК, а також розрізається плазміда. Отримані ДНК зшиваються лігазою для отримання плазміди для трансформації. Після неї не всі бактерії отримують плазміду. І в поживному середовищі з антибіотиком виростають лише ті, що отримали плазміду з геном стійкості до нього.

1. Чужорідна ДНК.

2. Плазміда.

3. Ген стійкості до антибіотика.

4. Обробка рестриктазою.

5. Цільовий ген.

6. Вбудовування гена до плазміди.

7. Трансформація.

8. Вирощування трансформованих клітин.

Генетична модифікація рослин може здійснюватися з використанням бактерій-симбіонтів

Варто зазначити, що чим більше геном організму, тим складніше здійснити генетичну модифікацію. Для доставки модифікувального фрагмента ДНК до ядра клітини макроорганізму необхідно обійти захисні системи тіла й кожної клітини, що покликані підтримувати сталість і стабільність генетичного матеріалу. Особливо досконалий цей захист у багатоклітинних еукаріот — рослин і тварин. Але тут на допомогу селекціонеру чи селекціонерці приходять неочікувані союзники — віруси й паразитичні бактерії — природжені «зломщики» геномів, які сотні мільйонів років еволюції розвивали в собі цю властивість.

1 До цього для отримання 100 г інсуліну переробляли одну тону підшлункових залоз, отриманих від 4 тисяч корів!

Для генетичної модифікації рослин перенесення генів найчастіше здійснюють, використовуючи агробактерії. Ці симбіотичні бактерії здатні інфікувати рослинні тканини, спричиняючи розвиток пухлин, які бактерія згодом заселяє. Для забезпечення пухлинного переродження, агробактерія вводить до рослинної клітини свою плазміду, яка вбудовується в ядерний геном. Якщо вставити до плазміди агробактерії потрібний ген, то завдяки природним механізмам його буде вбудовано до геному рослин. При цьому генетична модифікація агробактерії, як уже зазначалося, не є проблемою (рис. 42.3, А).

Для створення повністю генетично модифікованих рослин потрібна зміна геному всіх клітин тіла. Оскільки модифікувати зиготу в покритонасінних рослин складно через наявність численних захисних покривів, то в генній модифікації використовують технологію вирощування рослин із окремих клітин твірної тканини (рис. 42.3, Б).

Окрім застосування агробактерій, є й інші шляхи доставки ДНК до клітин рослин. Одним із найбільш популярних є використання генної гармати: рослинну тканину бомбардують наночастинами золота, вкритими ДНК. Також можна вводити ДНК безпосередньо до клітин за допомогою шприца — проводити мікроін'єкцію.

Одна з найбільш відомих генномодифікованих рослин — «золотий» рис (рис. 42.4). «Золотий» рис має таку назву через помаранчевий колір ендосперму, якого йому надають пігменти-каротиноїди. Гени для їх утворення були отримані від нарцису й ґрунтової бактерії ервінії. У майбутньому використання «золотого» рису в бідних країнах зможе вирішити проблеми авітамінозу й гіповітамінозу вітаміну А, провітаміном якого є помаранчево-жовтий пігмент β-каротин, і зберегти мільйони життів1.

Рис. 42.3. Генетична модифікація рослин із використанням агробактерій

А. Схема модифікації. Б. Вирощування рослин із твірної тканини.

1 Хоча «золотий» рис і було отримано у 2000 році, він досі не вирощується через супротив влади й природоохоронних організацій (наприклад, «Greenpeace»).

Рис. 42.4. Звичайний рис і «золотий» рис

Іншим перспективним напрямом є створення рослин, стійких до шкідників. Так, винайдено сорти кукурудзи, рису й бавовни, які синтезують бактеріальну отруту — Bt-токсин, смертельний для комах, але нешкідливий для хребетних тварин і людини. Також уже вирощують сорти картоплі, стійкі до грибкового захворювання фітофторозу.

За останні двадцять років об'єм сільськогосподарської продукції генетично модифікованих рослин виріс більше ніж у сто разів. Уже використовують як харчові продукти генетично модифіковані кукурудзу, сою, квасолю, рис, пшеницю, картоплю, гарбузи, баклажани, помідори, солодкий перець, яблука.

Генетична модифікація тварин здійснюється з різними цілями

Для доставки до геному тварин чужорідних генів найчастіше використовують віруси. А модифікацію великих клітин, як-от рибних ікринок або яєць птахів, зазвичай здійснюють шляхом ін'єкції генів безпосередньо всередину клітини.

Прикладом генетично модифікованих тварин, які використовуються вже сьогодні, є кози, що продукують людський білок лактоферин. Завдяки наявності гена людини в геномі, кози виробляють молоко, що містить цей білок. Далі з молока виділяють і очищають власне лактоферин. У такий спосіб можна отримувати й виводити з організму тварин і інші білки людини: антитіла, компоненти крові тощо.

Іншим прикладом тварини зі зміненим геномом є лосось із прискореним ростом (рис. 42.5, А). Для його створення рибі було введено ген, що спричинив постійний синтез гормону росту1. Це забезпечило цілорічний ріст лосося і, як результат, швидше збільшення маси його тіла. Він виявився першою генетично модифікованою твариною, м'ясо якої було дозволено продавати й споживати. Понад те, тепер генетично модифікованих риб можна побачити навіть у домашніх акваріумах (рис. 42.5, Б).

Перспективним напрямом генетичної модифікації є отримання сільськогосподарських тварин, стійких до інфекційних захворювань. Так, у Великій Британії виведено генетично модифікованих свиней, стійких до вірусу репродуктивно-респіраторного синдрому. Використання таких тварин, які мають уроджену стійкість до захворювань, дозволить знизити вартість м'ясних продуктів.

1 Зазвичай гормон росту в океанічного лосося синтезується лише навесні й улітку.

Рис. 42.5. Генетично модифіковані тварини

А. Атлантичний лосось AquaAdvantage з прискореним ростом (позаду) порівняно зі звичайною особиною того ж віку. Б. Акваріумні рибки GloFish, які флуоресціюють.

Ще одним важливим напрямом генної інженерії є боротьба з тваринами-переносниками інфекційних захворювань. Так, у лабораторних умовах отримують генетично модифікованих комарів, чиє потомство від схрещування з дикими комарами нежиттєздатне. Їх планують випускати в природу, де вони будуть спаровуватися з дикими комарами, переносниками інфекцій, знижуючи їхню чисельність.

Клітинна інженерія дозволяє отримувати культури клітин із потрібними властивостями

Проведення генетичної модифікації живих організмів часто пов’язане з роботою з вилученими з організму клітинами й тканинами. Комплекс методів роботи з окремими клітинами багатоклітинних організмів, їх вирощування, генетична модифікація й отримання з них життєздатних тканин і органів, називають клітинною інженерією. Основою клітинної інженерії є метод клітинних культур — сукупність прийомів вирощування клітин багатоклітинних тварин і рослин поза організмом. Саме з культурами клітин зручно здійснювати генетичні операції.

Рис. 42.6. Отримання лімфоцитів, що продукують антитіла

1. Антиген.

2. Організм-донор лімфоцитів.

3. Лімфоцит.

4. Антитіло.

5. Клітина пухлини.

6. Гібридома.

7. Утворені антитіла.

Клітинні культури вищих рослин, про які вже згадувалося, отримують із клітин твірної тканини. Тваринні ж клітинні культури використовують як продуценти білків, наприклад, антитіл і інтерферону. Для їхнього отримання потрібна велика кількість клітин імунної системи. Але В-лімфоцитів, які утворюють один тип антитіл, в організмі мало та їх досить складно виділити. Тому створюють клітинну культуру гібридоми (рис. 42.6). Для цього лімфоцит потрібного типу зливають із раковою клітиною, що призводить до об’єднання їхнього генетичного матеріалу. Цей процес називають соматичною гібридизацією. Отримана клітина — гібридома — здатна до необмежених поділів і при цьому синтезує необхідні антитіла. Гібридоми далі вирощують у поживному середовищі у вигляді культури клітин і отримують із них бажаний продукт.

Клітини з культури можна використати також для вирощування тканин і навіть цілих органів з метою їхньої наступної трансплантації. Подібні технології в майбутньому зможуть докорінно змінити медицину.

Рис. 42.7. Схема клонування вівці Доллі

1. Донор соматичної клітини.

2. Донор яйцеклітини.

3. Вирощування соматичних клітин.

4. Яйцеклітина з яєчника.

5. Видалення ядра яйцеклітини.

6. Ядро соматичної клітини.

7. Ранній ембріон.

8. Сурогатна мати.

9. Вівця Доллі, генетично ідентична донорові соматичної клітини.

Отримання клонів тварин є реальним

Потенційно рослину можна виростити з єдиної клітини твірної тканини дорослого організму, отримавши генетично ідентичний організм — клон. Але для тварин такий спосіб не прийнятний, оскільки клітини дорослої тварини не здатні нескінченно ділитися й спеціалізуватися. Але й це обмеження можна обійти, скориставшись операцією пересадки ядра (рис. 42.7). Для цього із клітини тіла дорослого організму (соматичної клітини) вилучають ядро й переносять його до незаплідненої яйцеклітини з видаленим ядром. Отримана клітина буде аналогічною зиготі: вона нестиме диплоїдний набір хромосом і може розвинутися в життєздатний організм. Цю «зиготу» можна згодом пересадити сурогатній матері та дочекатися народження клону. Саме в такий спосіб було отримано всесвітньо відому клоновану вівцю Доллі. Нині вже здійснено клонування багатьох тварин: від амфібій до макак. Ба більше, розроблено технологію отримання клону з індукованих плюрипотентних стовбурових клітин (детальніше про них ітиметься у § 45) без пересадки ядра. Клонування є перспективною технологією, що дозволяє отримувати нових особин видів, що вимирають, а також розмножувати тварин із унікальними здібностями (наприклад, собак-нюхачів).

Цікаве життя

Чому всі бояться ГМО?

Перша сторінка відкликаної статті Жака-Ернеста Сераліні

Від моменту створення ГМО в 1980-х роках навколо їх безпеки точиться суспільна й наукова дискусія. І якщо наразі наукове обговорення є близьким до завершення з майже одностайним висновком про безпечність ГМО, які пройшли ретельну перевірку, то публічне обговорення продовжується.

Нещодавно здійснені дослідження свідчать, що неправдива інформація поширюється приблизно у 100 разів краще, ніж істинна. Це зумовлено тим, що брехню легше зробити веселою, страшною, такою, що викликає подив чи суперечить усталеним поглядам. Завдяки цьому «wow-ефекту» різні вигадки, фейки та фальсифікації швидко «оселяються» у свідомості пересічних людей, тоді як правдива інформація часто має вигляд сухої, сірої й банальної. Тому ЗМІ й соціальні мережі набагато частіше популяризують інформацію про ті поодинокі дослідження, що вказали на негативний вплив ГМО.

Найбільша дискусія точиться навколо проблеми безпеки харчових продуктів, виготовлених із ГМО. У 1998 році британський біолог Арпад Пустай спочатку виступив на телебаченні й заявив щодо нібито негативного впливу їжі з генетично модифікованої картоплі на ріст і роботу імунної системи, та за півтора року опублікував статтю, в якій ішлося лише про погіршення стану епітелію кишківника щурів. Його роботу було розкритиковано, оскільки картопля не є повноцінним продуктом харчового раціону щурів. Інший приклад — це висловлювання російської біологині Ірини Єрмакової. Згідно з її даними, щурі, що харчувалися генетично модифікованою соєю, частіше хворіли й були менш плодовитими. Численні експерти й експертки віднайшли помилки в методиках експериментів і, зрештою, її результати не вдалось відтворити в інших лабораторіях. Не менш відомим прикладом є діяльність француза Жака-Ернеста Сераліні, який опублікував кілька статей щодо несприятливої дії їжі з генетично модифікованої кукурудзи на мишей і щурів. Унаслідок обґрунтованої критики як методик і умов дослідження, так і способів обробки даних усі статті згодом відкликали редакції журналів. Аналіз інших робіт щодо негативного впливу ГМО також спростував їх висновки.

Імовірно, страх перед невідомим, нерозуміння способів створення ГМО, природниче невігластво, уміле використання «wow-ефекту» спраглими до «сенсацій» журналістами й журналістками не лише переконує людей у небезпеці ГМО, але й спричиняє заборону владою багатьох країн (й України теж) вирощування ГМО й виробництва продуктів із них. Це знижує конкурентоспроможність аграріїв цих країн, прибутки бюджету й сповільнює рух до сталого розвитку.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Усі генетично модифіковані рослини

  • А використовуються як харчові продукти
  • Б нездатні до життя в дикій природі
  • В містять змінені послідовності ДНК у геномі
  • Г містять гени тварин

• 2. Для доставки ДНК до клітин тварин у лабораторних умовах використовують

  • А бактеріофаги
  • Б агробактерії
  • В віруси
  • Г спори бактерій

• 3. Молоко генетично модифікованої худоби може бути джерелом людських

  • А хромосом
  • Б тканин
  • В клітин
  • Г імуноглобулінів

• 4. Заповніть пропуски в реченні про гібридоми.

Клітина гібридоми може нескінченно (1) і синтезувати під час свого існування (2).

  • А 1 - рости, 2 - інтерферон
  • Б 1 - ділитися, 2 - антитіла
  • В 1 - рости, 2 - чужорідні білки
  • Г 1 - ділитися, 2 - вітаміни

• 5. Оберіть правильне твердження про клонування.

  • А є основним способом розмноження ссавців
  • Б призводить до отримання генетично ідентичних організмів
  • В здійснюють із використанням ферментів-рестриктаз
  • Г неможливо здійснити для рослин

• 6. Розгляньте рисунок 42.2 і вкажіть правильний порядок процедур під час створення штаму кишкової палички, що синтезує людський гормон росту.

  • А вирізання гена гормону росту з людської ДНК
  • Б трансформація бактерії рекомбінантною плазмідою
  • В вбудовування гена гормону росту до плазміди
  • Г вирощування бактерій, що містять рекомбінантну плазміду

У житті все просто

• 7. Чому отримання інсуліну з бактеріальної культури виявляється дешевше, ніж безпосередньо з підшлункової залози великої рогатої худоби? Чому бактеріальний інсулін також дешевший за хімічно синтезований?

• 8. Чому технології генетичної модифікації мікроорганізмів, рослин і тварин відрізняються?

• 9. З якою метою можна використати генетично модифікованих тварин? Чи відрізняється вона від такої для генетичної модифікації рослин?

У житті не все просто

• 10. Складіть мапу думок продуктів (харчів, ліків, біодобавок тощо), які отримують завдяки ГМО. У яких сферах ГМО застосовується найширше?

• 11. Чи є клон тварини повною генетичною копією організму-донора ядра? Як це можна пояснити?

• 12. Схарактеризуйте перспективи використання клонування тварин.