Генетическая инженерия

Генетическая инженерия (синоним — генная инженерия) — раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием in vitro (вне живого организма) новых комбинаций генетического материала. Этот материал способен размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные продукты обмена веществ.

История возникновения

Генетическая инженерия возникла в 1972 году, когда в лаборатории Пола Берга (Стэнфордский университет, США) была получена первая рекомбинантная (гибридная) ДНК (рекДНК). В ней были соединены фрагменты ДНК бактериофага лямбда, кишечной палочки (Escherichia coli) и кольцевой ДНК обезьяньего вируса SV40.

Ключевые инструменты и методы

Ключевое значение при конструировании рекДНК in vitro имеют специальные ферменты:

  • Рестриктазы (рестрикционные эндонуклеазы) — рассекают молекулу ДНК на фрагменты в строго определённых местах.
  • ДНК-лигазы — «сшивают» фрагменты ДНК в единое целое.

Только после выделения этих ферментов создание искусственных генетических структур стало технически выполнимой задачей.

Структура рекомбинантной ДНК

Рекомбинантная молекула ДНК обычно имеет кольцевую форму и состоит из двух основных частей:

  1. Целевой ген (гены) — объект генетических манипуляций.
  2. Вектор — фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение рекДНК и синтез конечных продуктов (белков) в клетке-хозяине.

Получение и свойства генов

Гены для клонирования можно получить несколькими путями:

  • Механическое или рестриктазное дробление тотальной ДНК организма.
  • Химико-биологический синтез.
  • Получение ДНК-копий (кДНК) с информационных РНК (иРНК).

Структурные гены содержат только запись конечного продукта (белка или РНК), но лишены регуляторных участков. Поэтому сами по себе они не могут функционировать. Функциональные свойства рекДНК придаёт именно вектор, который содержит:

Векторы и клетки-хозяева

Большинство векторов получено из плазмид бактерий (например, кишечной палочки). Также используют векторы на основе:

В качестве клетки-хозяина чаще всего используют кишечную палочку, но также применяют другие бактерии, дрожжи, а также животные и растительные клетки. Выбор системы «вектор — хозяин» зависит от видовой специфичности и целей исследования.

Селекция и анализ рекДНК

При создании рекДНК образуется несколько структур, поэтому обязательным этапом является селекция и молекулярное клонирование нужной рекДНК, которую вводят в клетку-хозяина путём трансформации.

Существуют три основных пути селекции:

  1. Генетический — по маркёрам с помощью избирательных сред.
  2. Иммунохимический — с использованием антител.
  3. Гибридизационный — с мечеными ДНК или РНК-зондами.

Полученные рекДНК характеризуют с помощью:

Достижения и применение

В результате развития методов генетической инженерии были клонированы гены:

На основе генетической инженерии сформировалась отрасль фармацевтической промышленности — «индустрия ДНК», являющаяся одной из современных ветвей биотехнологии. Яркий пример — инсулин человека (хумулин), полученный с помощью рекомбинантных ДНК и допущенный для лечебного применения.

Значение

Генетическая инженерия за короткий срок оказала огромное влияние на развитие молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться в понимании строения и функционирования генетического аппарата.

Современный контекст

С момента написания исходного текста генетическая инженерия претерпела революционные изменения. Появились принципиально новые, более точные и эффективные технологии, такие как CRISPR-Cas9, позволяющие проводить направленное редактирование генома непосредственно в живых клетках. Это открыло путь для терапии генетических заболеваний, создания генномодифицированных организмов с заданными свойствами и проведения фундаментальных исследований. Современная генетическая инженерия — это не только работа с рекомбинантными ДНК in vitro, но и прямое вмешательство в геномы растений, животных и даже человека.