Скачать

Достижения генной инженерии и биотехнологии

Государственный университет управления

Институт государственного и муниципального управления

Специальность государственное и муниципальное управление

Курсовая работа

на тему:

«Достижения генной инженерии и биотехнологии»

Выполнена студенткой

Дата выполнения работы 15.12.2000г.

Руководитель Миронченко В.И.

План

Введение	Стр.2
Строение ДНК	Стр.2
I Биотехнология	Стр.4
Возникновение биотехнологии	Стр.4
Специфика биотехнологии	Стр.4
Разделы биотехнологии	Стр.6
А) Биоэнергетика	Стр.6
Б) Биологизация и экологизация	Стр.6
Практические достижения биотехнологии	Стр.7
II Генная инженерия	Стр.7
Генная инженерия	Стр.7
Методы генной инженерии	Стр.8
Генетическая рекомбинация in vitro	Стр.11
Методы введения ДНК в бактериальные клетки	Стр.12
Достижения генной инженерии	Стр.14
Молекулярная геномика	Стр.17
Генная терапия	Стр.19
Биотехнологические и генно-инженерные компании и их разработки.	Стр.19
А) Компании США	Стр.19
Б) Компании СССР	Стр.23
В) Компании Западной Европы	Стр.23
Г) Международное сотрудничество	Стр.24
Заключение	Стр.26
Список терминов	Стр.27
Список литературы	Стр.28
Приложение 1	Стр.30
Приложение 2	Стр.31

Введение

В своей работе я раскрываю тему достижений генной инженерии и биотехнологии. Возможности, открываемые генетической инженерией перед че­ловечеством как в области фундаментальной науки, так и во мно­гих других областях, весьма велики и нередко даже революционны. Так, она позволяет осуществлять индустриальное массовое произ­водство нужных белков, значительно облегчает технологические процессы для получения продуктов ферментации — энзимов и аминокислот, в будущем может применяться для улучшения растений и животных, а также для лечения наследственных болезней человека. Таким образом, генная инженерия, будучи одним из магистральных направлений научно-технического прогресса, активно способствует ускорению решения многих задач, таких, как продовольственная, сель­скохозяйственная, энергетическая, экологическая.

Но особенно большие возможности генная инженерияоткрывает перед медици­ной и фармацевтикой, поскольку применениегенной инженерии и гибридомных методов может привести к коренным преобразо­ваниям медицины. Многие болезни, для которых в настоящее время не существует адекватных методов диагностики и лечения (раковые, сердечно-сосудистые, вирусные и паразитные инфекции, нервные и умственные расстройства), с помощью генной инжене­рии и биотехнологии станут доступны и диагностике, и лечению. Под влиянием биотехнологии медицина может превратиться из преимущественно эмпирической в фундаментально теоретически обоснованную дисциплину с ясным пониманием происходящих в организме молекулярных и генетических процессов.

Строение ДНК

Еще в прошлом веке биологи изучили процесс клеточного деления, которому предшествует расхождение хромосом, благодаря чему в каждый сперматозоид и в каждую яйцеклетку попадает половина хромосом из исходной клетки. Тогда уже было показано, что носителями генетической информации являются хромосомы.

С точки зрения химиков хромосомы состоят из белка и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Белки — сложная группа веществ, состоящая из 20 мономерных звеньев (аминокислот), которые соеди­нены в самых разных комбинациях. В ДНК — всего четыре вида ами­нокислот. Сначала предположили, что ДНК строится сочетанием этих четырех единиц в однообразном порядке. В качестве носителей генетической информации предполагались белки, как более сложные структуры. Только в 40-с годы было установлено, что именно ДНК, несмотря на простоту своей структуры, являются носителями инфор­мации, и, более того, обеспечивают образование своих точных копий для передачи последующим поколениям.

Гены — это участки молекулы ДНК, которая "размножается" путем комплиментарного пристраивания друг к другу четырех нуклеотидов (оснований), и при ошибках в этом процессе происходят мутации. Гены управляют синтезом белков, составляю­щих протоплазму, переключаясь время от времени с построения собственных клеток на построение иных молекул. В клетках высших организмов количество ДНК сильно различает­ся, отсюда отличия между организмами и в наборе синтезируемых белков, и в сложности строения организмов.

В начале 50-х годов выяснилось, что химический состав ДНК (а не белков) у од­ного вида почти одинаков, весьма различаясь у разных видов. Любая ДНК состоит из четырех типов нуклеотидов: А, Т, Г, Ц (начальные буквы четырех азотистых оснований— аденин, тимин, гуанин и цитозин), которые присутствуют в ДНК в разных пропорциях у разных видов и имеют близкие пропорции у одного вида. В 1938 г. Уильям Астбери (автор термина молекулярная биология) получил вместе со своим сотрудником Флорином Беллом рентгено­граммы ДНК, которые показали, что азотистые основания распола­гаются одно за другим, построенные как пластинки. Вскоре амери­канский биохимик Эрвин Чаргафф (р. 1905) установил, что отно­шения А/Т и Г/Ц приблизительно равны единице. Эти результаты были важны для понимания структуры ДНК.

Интерес к ДНК как носителю генетической информации резко возрос к началу 50-х го­дов, и структура ДНК была вскоре установлена. Химики понимали, что ДНК собрана из нуклеотидов, каждый из которых имеет фосфатную группу, связанную ковалентно с пяти-углеродным сахаром. Каждый такой сахар связан с одним из четырех азотистых оснований. История открытия структуры ДНК описана американским биохимиком Джеймсом Уотсоном (р.1928) в его книге «Двойная спираль»(1968). Кембридже Уотсон познакомился с Криком, физиком, который переквалифицировался в биохимика. Из общения с химиками Уотсон узнал, что структурные формулы, которыми они пользовались далеки от совершенства. Разобравшись в структуре пуринов (А, Г) и пиримидинов (Т, Ц), Уотсон и Крик решили, что они должны быть тесно связаны между собой. Если это так, то ДНК должна состоять из двух цепей. Цепи должны закручиваться между собой так, чтобы сохранялись определенные углы между группами атомов. Так возникла двойная спи­раль, в которой пурины и пиримидины выстроены по типу ступенек лестницы: роль "перекладин" играют основания, "веревок" — сахарофосфатные остовы. Каждая перекладинка образована из двух оснований, присоединенных к двум противоположным цепям, при­чем у одного из оснований одно кольцо, у другого — два. Следовательно, это может быть А и Т или Г и Ц. Поскольку в каждой паре есть одно ос­нование с одним кольцом и одно — с двумя, величина пе­рекладин одинаковая, и остовы цепей находятся на одном расстоянии. Две цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями. Статья Уотсона и Крика, в которой сообщалось о расшифровке структуры ДНК, заняла всего две странички в научном журнале, но она открыла новую эпоху в раскрытии тайны жизни. В первой же публикации (1953) Крик и Уотсон отметили, что такая структура хорошо объясняет и процесс "воспроизводства" этой молекулы. При рассоединении цепей возможно присоединение новых нуклеотидов к каждой из них, тогда около каждой старой возникнет новая цепь, точно ей соответствующая. Так впервые пришли к структуре, кото­рая была способна к самовоспроизведению. Физики Крик и Уилкинс вместе с биохимиком Уотсоном стали лауреатами Нобелевской пре­мии по физиологии и медицине за 1962 год.

Исследования показали, что ДНК может существовать в двух фор­мах: А (при низкой влажности) и В (при высокой). Для обеих форм построили молекулярные модели. Из дифракционных картин воло­кон ДНК информацию получить было достаточно трудно, посколь­ку цепи ДНК расположены вдоль оси волокна беспорядочно, но была подтверждена ее спиральная структура. К настоящему времени иссле­дователи научились синтезировать в необходимом количестве и по­лучать в достаточно чистом виде короткие участки ДНК заданной последовательности.

Строение рекомбинантной ДНК.

Гибридная ДНК имеет вид кольца. Она содержит ген (или гены) и вектор. Вектор - это фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение гибридной ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы - белков. Большая часть векторов получена на основе фага лямбда, из плазмид, вирусов SV40, полиомы, дрожжей и др. бактерий. Синтез белков происходит в клетке-хозяине. Наиболее часто в качестве клетки-хозяина используют кишечную палочку, однако применяют и др. бактерии, дрожжи, животные или растительные клетки. Система вектор-хозяин не может быть произвольной: вектор подгоняется к клетке-хозяину. Выбор вектора зависит от видовой специфичности и целей исследования. Ключевое значение в конструировании гибридной ДНК несут два фермента. Первый - рестриктаза - рассекает молекулу ДНК на фрагменты по строго определенным местам. И второй - ДНК-лигазы - сшивают фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких ферментов создание искусственных генетических структур стало технически выполнимой задачей.

Биотехнология Возникновение биотехнологии

Современная биотехнология — это новое научно-техническое направление, возникшее в 60—70-х годах нашего столетия. Осо­бенно бурно она стала развиваться с середины 70-х годов после первых успехов генно-инженерных экспериментов. Несмотря на столь короткий срок своего существования, биотехнология прив­лекла пристальное внимание как ученых, так и широкой общест­венности. Биотехнология, в сущности, не что иное, как использо­вание культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических ве­ществ. Биотехнология на основе применения знаний и методов биохимии, генетики и химической техники дала возможность получения с помощью легко доступных, возобновляемых ресурсов тех веществ и которые важны для жизни и благосостояния.

В промышленном масштабе подобная биотехнология представляет собой уже биоиндустрию.

Одно из объяснений живого интереса к биотехнологии можно найти прежде всего в том, что именно к этому времени была осоз­нана действительная острота глобальных проблем, вставших перед человечеством: нехватка продовольствия, ограниченность энер­гии и минеральных ресурсов, резкое, почти катастрофическое, ухудшение окружающей среды и, как следствие, ухудшение здо­ровья человека. Стало понятно, что огромный индустриально-про­мышленный комплекс не только не помогает решить эти проблемы, но и еще более усугубляет их. Возникла настоятельная практическая потребность в принципиально новых технологиях и новых способах организации производства. В это же время физико-хими­ческая биология в союзе с генетикой, молекулярной биологией и микробиологией предложили новую технологию, как будто способ­ную помочь в решении этих проблем. Тем более что первые опыты биотехнологического производства дали неплохие результаты и потому позволили строить оптимистические планы на будущее.

Специфика биотехнологии

Биотехнология - чрезвычайно наукоемкая технология.Так, например, возникшая первой в США фирма «Дженетек» расходует 76 % доходов на исследовательские разработки вместо обычных для других фирм 12 %. Среди общего числа работников НБФ около 35 % составляют доктора наук.(3)

Таким образом, новая биотехнология—это больше научно-техническое новаторское направление, чем производственное, хотя и с довольно большими производственными перспективами. Однако это такое научно-техническое направление, которое само выступает производства, причем такого производства, которое уже не может сделать бук­вально ни одного шага без глубоких фундаментальных и система­тических прикладных научных разработок. Подчеркивая специфику новой технологии, т. е. отличая ее и от сельского хозяйства, и от традиционной промышленности, можно так определить биотехнологию: это технология промышленного применения и эксплуатации естественных и целенаправленно соз­данных живых систем, прежде всего микроорганизмов, в качестве автоматически действующих сил природы для удовлетворения.

Возникновение социальных проблем биотехнологии обуслов­лено прежде всего тем, что это новое производство есть одно из важнейших направлений научно-технического прогресса, качест­венно преобразующих содержание научно-технической революции. Есть все основания предполагать, что в недалеком будущем биотехнология превратится в одно из важнейших приоритетных направлений научно-технического прогресса и тем самым может привести к переосмыслению и самих критериев этого прогресса. Это предположение зиждется на том, что глобальные проблемы современности, и в особенности экологическую, продовольствен­ную и энергетическую, очень трудно (если не невозможно) будет решать без самого непосредственного и широкого применения биотехнологии. Важнейшие социальные проблемы возникают также и в связи с тем, что развитие биотехнологии ведет к размы­ванию традиционных границ между сельским хозяйством и про­мышленностью. Более того, возникающая в настоящее время необходимость сначала экологизации, а затем и в более широком смысле биологизации всей производственной и хозяйственной деятельности человечества может привести не только к пере­стройке и даже замене (сначала, конечно, частичной) привычного сельского хозяйства биотехнологией, но и к преобразованию промышленности и техники.(3)

Примечательно, что в сфере биотехнологии целый ряд биологических наук, и прежде всего микробиология, генетика и физико-химическая биология, уже превращаются в непосредственную производительную силу.

Слияние науки и производства, превращение науки в непосредственную произ­водительную силу, а производства в предметно - воплощающую науку как нельзя лучше характеризует это новаторское направление. Видимо, поэтому оно оказывается тем фокусом, который стягивает в себе как проблематику, традиционно относимую к сфере философии и методологии научного познания, так и проб­лемы социально-философского и методологического осмысления практики, производства, промышленности. К. Маркс подчеркивал, что превращение производства в материальную творческую науку становится возможным лишь «по отношению к человеку сложив­шемуся, в голове которого закреплены накопленные обществом знания».(3)

Так, скажем, если Альбер Сассон утверждает, что <развитие биотехнологии и преиму­щества, которые оно сулит, ставит обширный комплекс проблем, которые связаны с эволюцией общего направления биологических исследований»(2), то интуитивно это кажется верным. Однако детального и аргументированного обоснования этого тезиса не просто достичь, и не только в силу еще очень значительной огра­ниченности биотехнологического опыта.

Биотехнология привлекает к себе прежде всего возможностью приспособления естественных, органических технологий живой клетки, ткани, организма, биоценоза и биосферы в целом для нужд человека как таких технологий, которые естественным образом смогут быть встроены в биологический круговорот планеты. Однако это только идея, пока существующая еще в качестве труднодостижимой мечты, поскольку теперь действующая биотехнология — это в большей мере химическая технология, в которой используются фрагменты живого. Тем не менее и в качестве даже идеи-мечты она оказывает заметное благотворное воздействие: именно в русле этой мечты родились и задачи экологизации, и — в более широком плане — биологизации всей производственно-хозяйственной дея­тельности человека на планете.

Еще в начале века крупнейший французский химик П. Бертло считал, что можно создавать идеальную пищу, которая в виде питательных порошков или растворов будет вводиться прямо в желудочно-кишечный тракт или непосредственно в кровь. Эта идея фактически поддерживалась до самого последнего времени (70-е годы), однако теперь ясно, что она никогда не может быть реализована. Как отмечает А. М. Уголев, в последнее время были сделаны крупнейшие открытия, которые влияют на всю стратегию питания. Были «обнаружены неизвестные ранее типы пищеварения (лизосомальное, внутриклеточное и мембранное). А также погло­щения пищевых веществ. Кроме того, установлено, что в отношении мета­болизма человек (и другие высшие животные) «представляет собой не собственно организм, а надорганизм, поскольку он включает в себя целый комплекс микроорганизмов».(3). Последнее обстоя­тельство особенно интересно тем, что оно привело к формированию представлений об эндоэкологии. т. е. внутренней экологии человека и других многоклеточных организмов, а также к представлению о том, что в процессе эволюции мы сформировались как организмы с определенными природными «технологиями», обойти которые не представляется возможным.

Разделы биотехнологии Биоэнергетика как раздел биотехнологии

Установление единообразия механизмов энергетических про­цессов во всем живом мире — от микроорганизмов и растений до человека, и вскрытие механизмов преобразования энергии в живых клетках создало предпосылки управления энергетиче­скими процессами отдельных организмов и их сообществ, а также конструирования биоэнергетических установок различных типов, в том числе биологических генераторов тока. Это позволяет гово­рить о превращении биоэнергетики в один из разделов биотехно­логии и в одно из перспективных направлений НТП, интенсивно развиваемое в настоящее время и обещающее эффективное раз­решение энергетической и сырьевой проблем.

Биоэнергетика в широком смысле слова означает совокупную энергетику биологического круговорота биосферы Земли, которая происходит с участием всех населяющих биосферу организмов — микроорганизмов, растений, животных. Восходящая линия биоло­гического круговорота — накопление химической энергии органи­ческих соединений в процессе фотосинтеза — химического про­цесса связывания воды и углекислого газа за счет энергии солнеч­ного излучения с образованием углеводов и других более сложных соединений. На планете за год воспроизводится около 232.5 млрд. тонн сухого органического вещества, что соответствует примерно 6000.10 '2 кдж энергии. Энерговооруженность жизни в ходе эво­люции возрастает. Однако деятельность людей в масштабах биосферы все более оказывается разрушительной, ограничивающей возможности дальнейшего развития биоэнергетики. Происхо­дит не только уничтожение отдельных видов растений и животных, не только нарушение их естественных комплексов — биогеоценозов — разрушается структура биосферы, ее циклическая организация, способность к самоочищению. Но с помощью расширяющегося прогнозно-планового регулирования происходит постепенное превращение биосферы в сферу разума — ноосферу. Все в более расширяющихся масштабах будет осуществляться экологизация и биологизация производственной деятельности людей, т. е. все большее включение этой деятельности в биологи­ческий круговорот биосферы. Соединение в ноосфере двух спосо­бов обеспечения устойчивости систем — энергетического (отбор и сохранение систем с большей энергией) и информационного (отбор более сложных систем, т. е. с большим запасом информа­ции) — приведет к образованию качественно нового состояния биоэнергетики. Наступит эпоха сбалансированной энергетики планеты на возобновляемых энергоресурсах.

Биологизация и экологизация

Еще раз подчеркну, что стратегия преобразования и господства над природой в современном мире уже дискредитировала себя. Мы все больше осознаем необходимость гармоничного, совместного развития природы и человечества. Именно поэтому в настоящее время приобретают популярность идеи экологизации и в более широком смысле биологизации всей хозяйственной и производственной деятельности. Думается, что под экологизацией, как начальным этапом биологизации, можно понимать сокращение вредных выбросов производства в окружающую среду, создание малоотходных и безотходных промышленных комплексов с замк­нутым циклом, скажем, по воде или углеводороду и т. п.

Биологизацию же следует, видимо, понимать более широко, как радикальное преобразование производственной деятельности на основе биологических законов биотического круговорота биосферы. Целью подобного преобразования должно быть встраивание всей хозяйственно-производственной деятельности в биотиче­ский круговорот.

Особенно наглядно эта необходимость видна на феномене стратегической беспомощности химической защиты растений. Дело в том, что в настоящее время нет в мире ни одного пестицида, к которому бы не приспособились вредители растений. Более того, теперь отчетливо выявилась закономерность подобного приспо­собления: если в 1917 г. появился один вид насекомых, приспосо­бившихся к ДДТ, то в 1980 г. таких видов стало 432. Применяемые пестициды и гербициды крайне вредны не только для всего живот­ного мира, но и для человека. Точно так же в настоящее время становится понятной и стратегическая бесперспективность приме­нения химических удобрений. В этих условиях совершенно естествен переход к биологической защите растений и биоорганической технологии с минимумом химических удобрений. Решавшую роль в процессе биологизации сельского хозяйства может сыграть биотехнология.

Можно и нужно говорить также и о биологизации техники, промышленного производства и энергетики. Она особенно настоя­тельна не столько с экономической точки зрения, сколько для судеб человечества и сохранения биосферы. Активно развиваю­щаяся биоэнергетика обещает революционные преобразования, поскольку она ориентирована на возобновляемые источники энер­гии и сырья. Нефть, уголь, природный газ и даже уран — это не возобновляемые источники, и, как известно, запасы их на Земле крайне ограниченны.

Биологизация энергетики призвана сыграть решающую роль в процессе освобождения человечества от атомной энергетики, поскольку мы теперь уже можем говорить также и о стратегической бесперспективности атомных электростанций. Дело здесь не только в том, что запасы урана также ограниченны, но главным образом в том, что к настоящему времени в мире скопилось уже много десятков тысяч тонн отработавшего топлива, представляющего грозную опасность для всего живого. Как известно, проблема захоронения отработавшего топлива (его радиоактивность после использования в АЭС многократно возрастает) до сих пор не реше­на. Однако, самая главная опасность состоит в возможности се­рьезных аварий на АЭС.

Практические достижения биотехнологии

С помощью биотехнологии получено множество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства, продовольственной и хи­мической промышленности. Причем важно то, что многие из них не могли быть получены без применения биотехнологических способов. Особенно большие надежды связываются с попытками использования микроорганизмов и культур клеток для уменьшения загрязнения среды и производства энергии.

Распределение основных продуктов биотехнологии показано в приложении 1.

Генная инженерия Генная инженерия

За последние 10—15 лет были созданы принципиально новые методы манипулирования с нуклеиновыми кисло­тами in vitro, на основе которых зародился и бурно разви­вается новый раздел молекулярной биологии и генетики — генная инженерия. Принципиальное отличие генной инже­нерии от использовавшихся ранее традиционных приемов изменения состоит в том, что она дает возможность конструировать функционально активные генетические структуры in vitro в форме рекомбинантных ДНК. Понятия «генная» и «генетическая» инженерия ча­сто употребляют как синонимы, хотя последнее является более широким и включает манипулирование не только с отдельными генами, но и с более крупными частями генома. Работа по переделке генотипа животных или ра­стений с помощью скрещиваний ограничены пределами вида либо близких в видовом отношении форм. Напротив, генная инженерия, как будет показано ниже, стирает межвидовые барьеры, обеспечивая возможность создания организмов с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств. Генная инженерия представляет собой совокупность методов, позволяющих не только получать реконбинантные ДНК из фрагментов геномов разных организмов, но и вводить такие рекомбинантные молекулы в клетку, создавая условия для экспрессии в ней введенных, часто совершенно чужеродных генов. Таким образом, в этом случае исследователь оперирует непосредственно с генами, причем их перенос может не зависеть от таксономического родства используемых организмов. Эта особенность генной инже­нерии представляет ее главное отличие от ранее исполь­зовавшихся приемов изменения генотипа.

Первенствующую роль в формировании генной инженерии сыграла генетика микроорганизмов, идеи и методы, разработанные молекулярной генетикой и химией нуклеи­новых кислот. Формальной датой рождения генной инженерии считают 1972 г., когда группа П. Берга в США соз­дала первую рекомбинантиую ДНК in vitro, объединившую в своем составе генетический материал из трех источни­ков: полный геном онкогенного вируса обезьян SV40, часть генома умеренного бактериофага К и гены галактозного оперона Е. coli. Сконструированная рекомбинантная моле­кула не была исследована на функциональную активность, поскольку у авторов этой работы возникли опасения, что методы генной инженерии могут привести к появлению микроорганизмов, опасных для здоровья человека, напри­мер бактерий Е. coil, способных перенести онкогенные вирусы животных в кишечник человека. Разработанные позднее правила работы с рекомбинантными молекулами позволили практически устранить возможность вредных последствий создания рекомбинантных ДНК, объединяю­щих в своем составе гены разного происхождения.

Методы генной инженерии

Возможность выделения отдельных генов в составе относительно небольших фрагментов ДНК была продемон­стрирована незадолго до возникновения генной инжене­рии в экспериментах in vitro . В 1969 г. Дж. Беквит, Дж. Ша­пиро и другие опубликовали работу по выделению генов лактозного оперона Е.coli, основанную на сочетании тра­диционных методов генетики микроорганизмов и физиче­ских методов выделения и гибридизации молекул ДНК.

Отдельные гены с целью их последующего молеку­лярного клонирования в составе рекомбинантных ДНК методами генной инженерии могут быть получены сле­дующими способами:

непосредственным выделением из природных источников;

путем химического синтеза;

3) копированием соответствующей гену и РНК для получе­ния комплиментарной ДНК-вой реплики (к ДНК).

Первый метод широко использовался на раннем этапе развития генной инженерии. Тотальную ДНК из разных источников подвергали деградации различными рестриктазами, сшивали с векторными молекулами, вводили в реципиентные клетки и отбирали клоны с гибридными молекулами, включавшими требуемый ген, по появлению соответствующих маркеров донора (например, устойчи­вости к определенному антибиотику) либо с помощью специальных иммунологических и гибридизационных ме­тодов. Этот метод не утратил своего значения и успешно применяется, например для создания банка генов.

Искусственный синтез гена впервые осуществлен хи­мическим путем в 1969 г. группой Кораны с сотрудниками. Химическому синтезу генов существенно способство­вало совершенствование методов изучения первичной структуры белков или других продуктов, кодируемых син­тезируемым геном, а также методов определения первич­ной структуры (секвенирования) нуклеиновых кислот. Секвенирование ДНК игра­ет большую роль не только в работах по химическому синтезу генов, но и при изучении их функции, их регуля­торных последовательностей, а также целых генетических систем, например мобильных диспергированных генов у эукариот.

Анализ первичной структуры ДНК, т. е. установление последовательности нуклеотидных остатков в ее молекуле, в настоящее время основан на двух методах — методе химической деградации (А. Максам и В. Гилберт, 1977) и методе полимеразного копирования с использованием терминирующих аналогов нуклеотидов (Ф. Сэнгер, 1977).

В практике генной инженерии широко распространен и третий метод искусственного получения генов, основан­ный на их ферментативном синтезе с помощью механизма обратной транскрипции. Этот механизм связан с актив­ностью РНК-зависимой ДНК-полимеразы или обратной транскриптазы — фермента, впервые обнаруженного при исследовании репликации РНК онкогенных вирусов. Фермент способен строить ДНК-копии на разных РНК, включая синтетические полирибонуклеотиды. С по­мощью обратной транскриптазы, называемой иногда ревертазой, можно синтезировать практически любой ин­дивидуальный ген в присутствии соответствующих иРНК, методы выделении которых достаточно разработаны. В 70-е годы появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью электрофореза. В руки ученых попали "молекуляр­ные ножницы". Транспортным средством переноса генетической ин­формации в клетку стал вирус. Явление трансдукции — переноса ге­нов из одной клетки в другую с помощью вирусов изучали еще с 50-х годов. Но вирус не должен был сразу уничтожать всю клетку, поэтому не все вирусы подходили для этой роли. Известно, что бак­териальные клетки могут обмениваться генетическим материалом при помощи плазмид (небольших частиц с фрагментами ДНК). Поэтому введение нужного гена в плазмиду позволяет в дальнейшем перенес­ти этот ген в бактерию (это еще один из механизмов транспорта в генной инженерии). Появилась возможность изучать распределение нуклеотидов в оп­ределенном гене или получать нужный белок. Для этого создается рекомбинантная ДНК, которая возникает, когда ДНК одного орга­низма внедряется в клетки другого. В качестве последнего использу­ются клетки организма, который размножается много быстрее пер­вого, например, бактерии. Так, в 80-е годы были разработаны интерфероны ~ белки, способные подавлять размножение вирусов. Были выбраны наиболее подходящие для переноса гены и мобиль­ные участки ДНК. Например, культурным растениям вводят гены, повышающие их иммунитет и устойчивость.

В 1983г. Барбара Мак-клинток при изучении генетики кукурузы обнаружила в ее геноме один "подвижный" ген, отвечающий за цвет початка. Независимо от нес подвижные гены были открыты методами молекулярной генетики советским ученым Г. П. Георгисвым. В 1981 г. процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован.

При всем разнообразии методов основная схема любой генно-инженерной работы остается неизменной. Она включает:

обработку кольцевой векторной моле­кулы рестриктазой с образованием линейной формы ДНК;

сплавление ее с фрагментом чужеродной ДНК, веду­щее к формированию гибридной структуры;

введение гибрида в клетку реципиента;

отбор клонов транс­формированных клеток на селективных средах;

до­казательство присутствия рекомбинантной ДНК в этих клонах путем ее выделения из клеток, обработки соот­ветствующими рестриктазами и анализа образовавшихся фрагментов методом электрофореза в агарозном геле.

Известно несколько методов объединения фрагментов ДНК из разных источников, позволяющих включить кло­нируемую донорную ДНК в состав вектора. Одинизних основан на соединении фраг­ментов, каждый из которых несет идентичные «хлипкие» концы, полученные под действием одной и той же рестриктазы. При другом методе, ферментативном, используется возможность соединения двухцепочных концов фраг­ментов ДНК с помощью ДНК-лигазы. Для повышения эффективности лигазы к концам сшиваемых фрагментов ДНК химически присоединяют комплиментарные однонитивые олигонуклеотиды, например поли-А и поли-Т, создавая тем самым искусственные «липкие» концы.

Методы введения рекомбинантных молекул в клетки зависят от особенностей самих клеток и используемых векторов. В тех случаях, когда векторами служат плазмиды, рекомбинантные ДНК вводят в реципиентные бак­терии путем трансформации. Разработаны и методы транс­формации клеток животных, а также протопластов расте­ний. Для защиты экзогенного клеточного материала, вво­димого в клетки млекопитающих или в протопласты растений, используют липосомы — сферические тельца, обо­лочка которых состоит из фосфолипидов. В составе липосом в клетки высших эукариот введены крупные вирусные РНК. Во всех случаях липосомы надежно защищали молекулы нуклеиновых кислот от разрушения нуклеазами.

Один из путей передачи генетической информации в культуре клеток человека, животных и растений — гибридизация соматических клеток, разработанная Б. Эфрусси и Г. Барски (1960). Эффективность этого метода значительно повысилась после того, как было обнаружено, что частицы инактивированного вируса парагриппа типа Сендай увеличивают частоту слияния клеток из самых разных источников. Показана возможность передачи генов из изолированных хромосом китайского хомячка в клетки соединительной ткани мыши. Описаны гибриды клеток человека и мыши, из которых часть хромосом человека удаляется, а часть остается функционально активной. Для введения ДНК в различные культуры клеток млеко­питающих или развивающиеся эмбрионы используют метод микро инъекций ДНК в ядро с помощью микро­манипулятора. Развитие методов микрохирургии клеток позволило заменять ядра оплодотворенных яйцеклеток на ядра из соматических клеток и в результате получать абсолютно идентичные организмы. Создание гибридов высших растений в обход полового скрещивания возможно путем слияния протопластов и соматической гибридизации растительных клеток, в результате чего в ряде случаев появляются целые гибридные растения. Все эти методы могут быть использованы для конструирования новых форм микроорганизмов, животных и растений путем введе­ния и стабильного наследования в них рекомбинантных ДНК, несущих, гены, детерминирующие желаемые признаки.(4)

Следует, однако, отметить, что, несмотря на очевидные успехи подобных работ по созданию микроорганизмов, синтезирующих ряд важных продуктов эукариотического происхождения, проблема экспрессии чужеродных генов у прокариот имеет ряд ограничений. Некоторые из них связаны с тем, что при сверхпродукции полезных для человека и не нужных клетке соединений, кодируемых гибридной плазмидой, усиливается неустойчивость самих гибридов и вероятность элиминации из них встроенных генов. Стабильность гибридных ДНК снижается и с уве­личением размеров вставки в вектор. Поэтому разраба­тываются методы, направленные на сохранение целостнос­ти гибридной структуры. Использование регулируемых промоторов предохраняет клетку от чрезмерной для нее метаболической активности, связанной с избыточной про­дукцией чужеродного белка. Вместе с тем проблема ста­бильности гибридных молекул окончательно не решена. Ограничения возможностей конструирования микроорга­низмов — гиперпродуцентов ценных препаратов — рас­пространяются на случаи клонирования и экспрессии лю­бых генов как про -, так и эукариотического происхожде­ния.

Наряду с этим существуют и ограничения, специфи­чески связанные с выражением эукариотических генов в прокариотах.

Первое из них определяется тем, что эукариотические промоторы могут не распознаваться бакте­риальной РНК - полимеразой.

Второе заключается в том, что и РНК транскрибирующаяся с эукариотических генов, не содержит последовательности Шайн—Далгарно, необ­ходимой для ее связывания с рибосомами.

В-третьих, такая иРНК может содержать интроны, которые следует вырезать.