Генная инженерия: как зарождалась наука и на какой стадии развития она сейчас
Генная инженерия – это больше, чем наука. Это технологическая совокупность разных наук: генетики, биологии, химии, вирусологии, химической инженерии и так далее. Это мощный инструмент для создания новых генетических комбинаций, отличных от существующих в природе, путем внесения изменений в ДНК и РНК. Создаются новые генетические комбинации с целью усовершенствования привычной комплектации, придания живому объекту свойств и качеств, ему не присущих. Рекомбинантная молекула ДНК имеет форму кольца, она содержит гены, составляющие объект генетических манипуляций, и вектор-фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение рек ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы-белков.
Генная инженерия полноценно зародилась в 70-х годы XX века в США. Именно в этот период сложились удачные экономические, политические и научные условия. Предпосылки для формирования генной инженерии начали закладываться еще в 19 веке. На тот момент миру уже были известны законы наследственности Менделя. В 1869 г. И. Мишер открыл факт существования ДНК, в 1910 г. профессор Т. Морган обнаружил, что гены расположены линейно на хромосомах и образуют группы сцепления. А уже в 1953 г. было сделано важнейшее открытие — Дж. Уотсон и Ф. Крик установили молекулярную структуру ДНК.
К началу 60-х учеными были изучены свойства генетического кода, а к концу 60-х годов его универсальность была подтверждена опытным путем. Именно в тот период установилось активное развитие генетики, объектами которой были вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов. ДНК вирусов и плазмид вводили в клетки в биологически активной форме, обеспечивая ее репликацию и экспрессию соответствующих генов. В 70-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК. И, все-таки, датой рождения генетической инженерии считается 1972 год, когда в Стенфордском университете П. Берг, С. Коэн, Х. Бойер и их научная группа создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса и бактериофага.
Сегодня генная инженерия используется во многих сферах. Например, на основе генной инженерии сформировалась отрасль фармацевтической промышленности, называемая “индустрия ДНК” и представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии. В медицине применяется инсулин человека (хумулин), полученный посредством рекомбинантных ДНК. Генная инженерия за короткий срок оказала огромное влияние на развитие различных молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться на пути познания генетического аппарата.
Применение генной инженерии. Интересные факты
Количество генетически модифицированных продуктов на сегодняшний день исчисляется уже сотнями и тысячами. Несмотря на этот факт их реализация во многих странах ограничена или вообще запрещена. Очень настороженно относятся к употреблению ГМО страны Европы, гораздо более лояльно — США, ведь именно там впервые появились компании по производству ГМО- продуктов. Ранее в своих статьях мы уже рассказывали о пользе и вреде ГМО, поэтому не будем сейчас подробно на этом останавливаться. Вот список самых популярных в мире продуктов ГМО, над которыми проводилось много генетических опытов: кукуруза, хлопок, соя, помидоры, картофель, кабачки, рис, табак, свекла. Какие качества приобрели эти продукты после генной модификации? Например, помидор теперь обладает суперспособностью несколько месяцев хранится в холодном помещении в полузрелом виде, а после того, как его поместят в комнатную температуру, созревать до нормы в течение суток. Для промышленности и торговли — это очень удобное качество. Помидоры можно везти из дальних стран, хранить на складах, а затем уже на полках магазинов они превращаются в сочные спелые томаты.
Еще с помощью генной инженерии стало возможным увеличить количество витаминов и полезных веществ в продукте. Например, обогатить рис витамином «А» и взращивать его в тех регионах, где люди имеют массовую нехватку этого элемента. Также возможно обеспечить зерновые культуры большей устойчивостью к климатическим условиям. Например, понизить нуждаемость в воде, чтобы взращивать рожь в условиях засухи, или сделать их более неприхотливыми к морозам и взращивать в северных регионах.
Путем генетической модификации растений можно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами. Так, в начале 2000-х в геном кукурузы был внедрен ген земляной бактерии Bacillus thuringiensis. Этот ген обеспечивает высокий уровень защиты растения, после чего в дополнительной обработке оно уже не нуждается.
Наука пошла еще дальше. ГМО-растениям стали внедрять свойства лекарственных препаратов. Так, индийские ученые создали банан с анальгином, и салат, вырабатывающий иммунитет против гепатита В.
Очень остро в 21 веке стоит экологическая проблема, которую сейчас тоже пытаются решить в том числе с помощью генной инженерии. Были созданы особые сорта растений с функцией очистки почвы. Они поглощают цинк, никель, кобальт и иные опасные вещества из загрязненных промышленными отходами почв.
Затронула генная инженерия и животных. Началось все с прославившейся на весь мир овечки Долли, которую клонировали в 1996 г. методом пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки. Уже в наши дни, ученые из Южной Кореи умудрились вывести вид кошек, которые светятся в темноте красным цветом. С какой целью это сделано можно только предполагать. Возможно, в Корее высокая смертность кошек от колёс автомобилей в ночное время. А вот новые овцы, в ДНК которых внедрили гены шелкопряда, будут обладать роскошной шерстью, которую планируется использовать в текстильной промышленности.
Английский врач Х. Санг смогла вывести куриц с ДНК человека. Яйца от таких куриц содержат особые протеины, которые, по ее утверждению, при употреблении яиц в пищу, поспособствуют излечению рака кожи. Ученые шагнули еще дальше и пробуют выращивать в теле животных органы, которые затем возможно будет целиком трансплантировать людям. Для минимизации риска отторжения тканей, животным вводят специальные гены. Уже проведен успешный эксперимент пересаживания мыши поджелудочной железы, выращенной в теле крысы. Этими опытами занимается как раз та научная лаборатория в Великобритании, которая представила миру овечку Долли.
Изменение ДНК человека
Дошло дело и до человека. В 2015 году впервые была проведена процедура изменения ДНК человека с целью продления молодости клеток. Сейчас генная инженерия активно работает в направлении разработки методов эффективного омоложения и улучшения качества жизни человека. В 2018 году китайский ученый Хэ Цзянькуй заявил, что создал двух детей-близнецов с измененными генами с целью создания у них иммунитета к вирусу ВИЧ, носителем которого являлся их отец. Все это, с одной стороны, выглядит грандиозно и обнадёживает, с другой вызывает опасения, ведь генетические манипуляции, теоретически, возможно использовать не только в благих и мирных целях. После эксперимента с ДНК близнецов в Китае, ЮНЕСКО выступила с инициативой о запрете изменения генов новорожденных до того момента, пока достоверно не будет доказана безопасность таких манипуляций. Организация беспокоится, что генетические вмешательства могут негативно отразиться на будущих поколениях и вызвать самые неожиданные мутации. В связи с этим, ЮНЕСКО настаивает, чтобы государства совместно приняли меры по обеспечению корректных с этической точки зрения экспериментов в области генной инженерии. Представители комитета сослались на принципы научной деятельности, прописанные во Всеобщей декларации ООН о геноме человека и правах человека (1997 г.).
Генная инженерия в России
В июле 2018 года был Наффилдский совет по биоэтике — авторитетная британская организация, которая изучает этические вопросы в области биологических и медицинских исследований, — опубликовала важный отчет на тему геномного редактирования. В нем говорилось о том, что изменения в ДНК человеческого эмбриона можно оправдать, если их внесение преследует интересы ребенка.
Сделанный Наффилдом вывод — огромный шаг навстречу современным биотехнологиям: статьи о том, что генетические модификации эмбрионов граничат, если не напрямую заходят на территорию евгеники, не редкость даже в The Guardian. Как, впрочем, и те, что призывают не поддаваться дистопическим страхам и всячески приветствовать движение в светлое будущее без наследственных болезней. Эти качели мнений говорят о том, что не только общество — сама научная среда не может сойтись в вопросах генетики. Есть так называемое антимодификационное лобби, которое выступает против генетической инженерии, потому что последняя приведет к необратимому расслоению общества: условно говоря, богатые родители будут заказывать себе «дизайнерских младенцев» с голубыми глазами, высоким интеллектом, физическими данными олимпийских спортсменов — и мощной форой по жизни. Но давайте посмотрим, как обстоит дело с генной инженерией прямо сейчас.
Начнем с терминологии. Совокупность человеческих генов, или геном, — это, грубо говоря, энциклопедия, которую, как всякий текст, можно редактировать: что-то стереть, что-то допечатать или просто переставить буквы местами. А геномное редактирование — современная биотехнология, позволяющая вырезать и вставлять в наш геном нужные кусочки. Существует даже специальный редактор типа Microsoft Word, только генетический, — он называется CRISPR/Сas9. В основе этой биотехнологии лежат особые участки ДНК (как раз те самые CRISPR), обнаруженные в геноме бактерий около двадцати лет назад. Эти участки представляют собой что-то вроде каталога вирусов, «библиотеки врагов», с которыми бактерии или ее предку довелось встретиться: когда в бактерию проникает вирус, она записывает последовательность букв в его геноме и легко узнает ее при следующей встрече. Уничтожая с помощью белка Сas9, тот вырезает вирусную ДНК, защищая клетку от инфекции.
Сначала это открытие заинтересовало только микробиологов. Но в 2011 году ученые Эммануэль Шарпентье и Дженнифер Дудна, изучавшие CRISPR/Cas9, обнаружили, что механизм можно обмануть, заставив редактировать чужую ДНК в человеческих клетках. «Это открытие исключительно важное, — комментирует Хэнк Грили, профессор Стэнфорда и специалист по юридическим и социальным вопросам генетики. — Ведь оно позволяет предотвратить наследственную болезнь еще на этапе эмбриона, исправить данные, затронутые наследственной мутацией». Так, гемофилию — болезнь, от которой страдал царевич Алексей Романов, — вызывает изменение всего лишь одной буквы ДНК (а в нашем геноме их более 6 миллиардов символов). Найдя «опечатку», белок Cas9 разрезает хромосому в нужном месте и, если в клетку своевременно введена правильная копия гена, сам заделывает разрыв по эталонному образцу — исправляя огрех природы буквально на глазах ученых.
Проблема в том, что при этом нередко появляются новые незапланированные ошибки: белки Cas9 без спроса редактируют ДНК в самых неожиданных местах, а геном человека не терпит случайных вмешательств. В ходе знаменитого эксперимента 2015 года, когда китайские ученые взяли человеческие эмбрионы с испорченным геном и ввели в него белок Cas9, тот не только нашел и успешно заменил его в 5—10% случаев, но и вызвал множество новых мутаций.
«В любом тексте есть похожие обороты, и Сas9 будет редактировать их повсюду, — объясняет Ирина Жегулина, руководитель Центра геномной медицины в клиниках EMC. — Чтобы такого не происходило, ученые пробуют выбирать кусочек «текста» побольше, с захватом соседних букв. Что-то вроде «Александр пошел на речку», а не просто — «пошел на». В этом случае будет меньше ошибок, потому что и текстовых совпадений будет меньше».
Так или иначе, CRISPR/Cas9 пока работает неточно и для врачей-генетиков, которые занимаются проблемами здоровья прямо сейчас, пока не выглядит перспективой ближайшего будущего. Другое дело — медицинские исследования и сельское хозяйство.
«С помощью механизма CRISPR/Cas9 можно заниматься селекцией растений и животных, — рассказывает Эмили Антес, автор книги о биотехнологиях Frankenstein’s Cat: Cuddling Up to Biotech’s Brave New Beasts. — Скажем, вырезать из арахиса аллерген или внести изменения в геном помидора, приспособив тот к новым климатическим условиям: засухе, росту температуры, повышенной влажности и так далее». Выиграют от CRISPR и ученые: «Уже сегодня мы используем эту технологию в лаборатории — вставляем в клетки ген, который заставляет культуру светиться, чтобы было удобно наблюдать ее под микроскопом», — добавляет Ирина Жегулина.
Что сегодня, в условиях российского законодательства, можно сделать будущим родителям для предотвращения генетических болезней? На самом деле немало, но в основном за собственные деньги. «Есть приказ Минздрава 107н, в котором прописаны вспомогательные репродуктивные технологии, в том числе ЭКО, — рассказывает Жегулина. — В этом большом приказе врача-генетика упоминают лишь в тех пунктах, где говорится о возрасте матери — старше 35 лет — или выявленном у нее наследственном заболевании». Все, что вам сделают «генетического» в государственной поликлинике, — простой анализ на кариотип. Остальное, например, скрининг на наследственные заболевания, — привилегия частной медицины, консультацию врача-генетика и последующие процедуры не покрывает практически ни одна страховка. К счастью, с развитием технологий методы генетических исследований дешевеют: в России клинический экзом, то есть большое исследование, позволяющее определить распространенные повреждения в ДНК, сегодня стоит от 35 тысяч рублей — в сравнении с 200—300 тысячами в начале десятилетия.
Положим, экзом — это все еще дорого и необязательно. Но минимальный объем исследований, считают генетики, может и должен сделать любой человек, который планирует стать родителем. «Из обязательного — скрининг на спинально-мышечную атрофию, — комментирует Ирина Жегулина. — Среди людей распространенность здорового носительства — когда сам человек здоров, но у него в одной копии гена есть мутация — составляет 1 к 40, это очень много. В России подобная статистика по муковисцидозу: если два таких человека встретятся и заведут детей, риск заболевания у ребенка будет составлять 25%».
К сожалению, генетические исследования не гарантируют стопроцентно здорового ребенка — какая-то доля случайности все равно присутствует. Есть, например, такая вещь, как мутация de novo, то есть изменение в гене, произошедшее впервые и только у одного из членов семьи как результат мутации в яйцеклетке или сперматозоиде: она объясняет, как у здоровых родителей может родиться ребенок с карликовостью. Тем не менее обследоваться на наследственные заболевания нужно: «Да, они нечастые. Да, многим везет, но кому-то — нет, — говорит Ирина Жегулина. — Знаете, есть такое понятие, как ошибка выжившего: матросы рассказывают о чудесных дельфинах, которые спасли их от кораблекрушения, отправив в сторону берега. Но мы никогда не услышим тех, кого эти дельфины утащили в море».
Генной инженерии в России дали зеленый свет
Вице-премьер Татьяна Голикова заявила, что в ближайшее время в России будут созданы три генетических центра, на их создание уже выделены 12,2 млрд рублей. Также в течение восьми лет будут готовить три тысячи генетиков, которые пройдут стажировку в мировых научных центрах. В России же ученые намерены заниматься как фундаментальными, так и прикладными исследованиями.
Ранее президент России Владимир Путин давал поручения по утверждению программы по ускоренному развитию генетических технологий в стране. Как видим, эта программа уже утверждена правительством. Однако структура и задачи создаваемых центров пока что не до конца ясны.
Не стоит забывать, что генная инженерия имеет двойное назначение и может приносить как пользу, так и вред. В постсоветской России был изначально высокий уровень развития школы генетиков, даже несмотря на отъезд многих за рубеж.
Перед генной инженерией еще со времен открытия ДНК в 1953 году физиком Фрэнсисом Криком и биологом Джеймсом Уотсоном стоит важная задача усовершенствования таргетных препаратов от рака: тех, которые вмешиваются в работу молекул раковых клеток. Именно тогда ученым удалось установить механизмы регуляции деления и гибели клеток, что позволило открыть новые способы лечения онкологических заболеваний.
Также инженеры разрабатывают для генетиков секвенаторы: приборы, с помощью которых можно расшифровывать ДНК и проводить исследования тех её участков, которые отвечают за размножение и деление опухолевых клеток. С появлением секвенаторов, замечу, появилась возможность исследовать аномалии плода в организме матери на ранних сроках беременности (например, выявлять синдром Дауна). Открытия, которые можно совершать с помощью секвенаторов, открывают широкие перспективы по снижению социальной нагрузки на государство, так как позволяют диагностировать возможные заболевания человека, пока тот находится еще во чреве матери.
Есть еще одна проблема. Китайский ученый Хэ Цзянькуй совсем недавно заявил о том, что благодаря его операции на свет появились генетические отредактированные близнецы, которым он еще на стадии эмбриона удалил ген, отвечающий за передачу ВИЧ. Но эта процедура вызвала негативную реакцию научного сообщества из-за своей «неэтичности».
Смогут ли родители «редактировать» своих будущих детей? Это нарушает устои общества. Но соблазн все равно остается. К тому же почему не считают генетически модифицированными всех остальных жителей Земли? Ведь их гены меняют пусть и не ученые-люди, но вирусы. Об этом почему-то мало кто задумывается.
Создание этих институтов — это хорошая идея и значительный шаг в науке и медицине. Главное, чтобы они работали на интересы страны. Однако не стоит забывать, что с точки зрения законодательства генетика в России находится в «серой» зоне. Законодательство есть, но пока что в зачаточном виде. Его необходимо разрабатывать и дополнять. Должно быть четко прописано, какие операции и опыты разрешены, а какие — нет.
Генетика — область, в которой остается масса спорных вопросов. В США намеревались учредить генетическое тестирование граждан на предмет выявления лишней хромосомы, что якобы говорило о предрасположенности к криминалу. Эта идея встретила отпор. А некоторые американские фирмы требовали у соискателей указывать информацию о случаях заболевания раком у родственников, а затем отказывали тем, у кого такие родственники были. Клонирование вообще вызвало бурные общественные дискуссии во всем мире.
Очевидно, что генная инженерия, если избегать злоупотреблений, способна приносить пользу. Многие болезни, особенно связанные с вирусами, коренятся в природе генома, и нет ничего противоестественного в том, чтобы выискивать новые способы борьбы с ними. Ведь там, где традиционная терапия оказывается слаба, именно генная инженерия способна решить возникшую проблему. Но её время еще не настало, мы находимся лишь в начале пути признания и утверждения этой новой и передовой сферы медицины.
Источник: https://start-365.ru
