Генная инженерия. 23

Введение.

 Я выбрала эту тему, так как мне хотелось разобраться  в очень сложном вопросе: нужна ли нам генная инженерия? Конечно,порить на эту тему можно до бесконечности. Но никто не в силах остановить научно-технический прогресс. Потому что его наличие обусловлено самой человеческой природой. Человек так устроен, что "должен" всё время что-то изобретать, создавать, строить, изменять. И, конечно же, хочется подметить, что ,если в нашем мире что-то изобрели, то это будут преобразовывать, независимо от чьего-либо мнения.

Итак, я поставила перед собой цель: найти ответы на интересующие меня вопросы по этой теме и,конечно же, разобраться в том, что же такое генная инженерия? Каковы её задачи и методы? Подумать о том, какие она имеет возможности и перспективы, а также безопасна ли она для человека?

Генная инженерия.

Под генной (генетической) инженерией подразумевают целый комплекс технологий, методов, процессов, посредством которых получают рекомбинантные (созданные благодаря биотехнологии на основе ДНК) РНК и ДНК, а также гены из клеток организмов, осуществляют различные манипуляции с генами и вводят их в другие организмы. Генная инженерия не является наукой – это только набор инструментов, использующий современные достижения клеточной и молекулярной биологии, генетики, микробиологии и вирусологии.

Работы по изменению существующих органических форм стали возможны только после того, как в 1953 году была расшифрована молекула ДНК. Человек наконец понял сущность гена, его значение для белков, прочитал код геномов живых организмов и естественно не стал останавливаться на достигнутом. В душах людей возникло сильное желание «творить» животный и растительный мир планеты по своему усмотрению.

В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик создали двуспиральную модель ДНК, на рубеже 50 – 60-х годов 20 века были выяснены свойства генетического кода, а к концу 60-х годов его универсальность была подтверждена экспериментально. Шло интенсивное развитие молекулярной генетики, объектом которой стала кишечная палочка( E.coli), ее 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 1970 году Гамильтоном Смитом был впервые выделен ряд ферментов – рестриктаз, пригодных для генно-инженерных целей. Г.Смит установил, что полученный из бактерий очищенный фермент Hind II сохраняет способность разрезать молекулы нуклеиновых кислот (нуклеазная активность), характерную для живых бактерий. Комбинирование ДНК-рестриктаз (для разрезания молекул ДНК на определенные фрагменты) и выделенных еще в 1967 г. ферментов – ДНК-лигаз (для «сшивания» фрагментов в произвольной последовательности) по праву можно считать центральным звеном в технологии генной инженерии.

Датой рождения генной инженерии можно считать 1972 год, когда Пауль Берг, Стивен Коэн, Херберт Бойер с сотрудниками (Стенфордский университет) создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV4( (сокращение от Simian vacuolating virus 40) — полиомавирус, обнаруженный в клетках обезьяны и человека), бактериофага и E. Coli.

Таким образом, к началу 70-х годов были сформулированы основные принципы функционирования нуклеиновых кислот и белков в живом организме и созданы теоретические предпосылки генной инженерии

Академик Александр Александрович Баев был первым в нашей стране ученым, который поверил в перспективность генной инженерии и возглавил исследования в этой области. Генетическая инженерия (по его определению) – конструирование in vitro ( лат. «в стекле») — это технология выполнения экспериментов, когда опыты проводятся «в пробирке» — вне живого организма) функционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК), или иначе – создание искусственных генетических программ.

Задачи и методы генной инженерии

Хорошо известно, что традиционная селекция имеет целый ряд ограничений, которые препятствуют получению новых пород животных, сортов растений или рас практически ценных микроорганизмов:

• отсутствие рекомбинации у неродственных видов. Между видами существуют жесткие барьеры, затрудняющие естественную рекомбинацию.
• невозможность управлять процессом рекомбинации в организме извне. Отсутствие гомологии между хромосомами приводит к неспособности сближаться и обмениваться отдельными участками (и генами) в процессе образования половых клеток. В результате становится невозможным перенос нужных генов и обеспечение оптимального сочетания в новом организме генов, полученных от разных родительских форм;
• невозможность точно задать признаки и свойства потомства, т.к. процесс рекомбинации – статистический.

Природные механизмы, стоящие на страже чистоты и стабильности генома организма, практически невозможно преодолеть методами классической селекции.

Технология получения генетически модифицированных организмов (ГМО) принципиально решает вопросы преодоления всех естественных и межвидовых рекомбинационных и репродуктивных барьеров. В отличие от традиционной селекции, в ходе которой генотип подвергается изменениям лишь косвенно, генная инженерия позволяет непосредственно вмешиваться в генетический аппарат, применяя технику молекулярного клонирования. Генная инженерия позволяет оперировать любыми генами, даже синтезированными искусственно или принадлежащими не родственным организмам, переносить их от одного вида к другому, комбинировать в произвольном порядке.

Технология включает несколько этапов создания ГМО:

1. Получение изолированного  гена. 
2. Введение гена в вектор для встраивания в организм. 
3. Перенос вектора с конструкцией в модифицируемый организм-реципиент. 
4. Молекулярное клонирование. 
5. Отбор ГМО.

Первый этап – синтез, выделение и идентификация целевых фрагментов ДНК или РНК и регуляторных элементов очень хорошо разработан и автоматизирован. Изолированный ген может быть также получен из фаговой библиотеки.

Второй этап – создание in vitro (в пробирке) генетической конструкции (трансгена), которая содержит один или несколько фрагментов ДНК (кодирующих последовательность аминокислот белков) в совокупности с регуляторными элементами (последние обеспечивают активность трансгенов в организме). Далее трансгены встраивают в ДНК вектора для клонирования, используя инструментарий генной инженерии – рестриктазы и лигазы. За открытие рестриктаз Вернер Арбер, Даниел Натанс и Хамилтон Смит были удостоены Нобелевской премии (1978 г.). Как правило, в качестве вектора используют плазмиды – небольшие кольцевые молекулы ДНК бактериального происхождения.

Следующий этап – собственно «генетическая модификация» (трансформация), т.е. перенос конструкции «вектор – встроенная ДНК» в отдельные живые клетки. Введение готового гена в наследственный аппарат клеток растений и животных представляет собой сложную задачу, которая была решена после изучения особенностей внедрения чужеродной ДНК (вируса или бактерии) в генетический аппарат клетки. Процесс трансфекции был использован как принцип введения генетического материала в клетку.

Если трансформация прошла успешно, то после эффективной репликации из одной трансформированной клетки возникает множество дочерних клеток, содержащих искусственно созданную генетическую конструкцию. Основой для появления у организма нового признака служит биосинтез новых для организма белков – продуктов трансгена, например, растений – устойчивости к засухе или насекомым-вредителям у ГМ растений.

Для одноклеточных организмов процесс генетической модификации ограничивается встраиванием рекомбинантной плазмиды с последующим отбором модифицированных потомков (клонов). Для высших многоклеточных организмов, например, растений, то обязательным является включение конструкции в ДНК хромосом или клеточных органелл (хлоропластов, митохондрий) с последующей регенерацией целого растения из отдельной изолированной клетки на питательных средах. В случае животных, клетки с измененным генотипом вводят в бластоциды суррогатной матери. Первые ГМ растения были получены в 1982 году учеными из Института растениеводства в Кельне и компании Monsanto.

Безопасна ли генная инженерия?

Создатели генетически измененных продуктов утверждают, что они совершенно безопасны. Сторонники их широкого использования уверены, что многолетние исследования доказали безвредность такой продукции. Противники убеждены в обратном.

До сих пор не доказано, что эти продукты безопасны для человека. Многие виды генетически модифицированных продуктов запрещаются к использованию на последних стадиях эксперимента как сильные аллергены.

Правы ли скептики, утверждающие, что трансгенные продукты опасны? А может, они станут нашей пищей в 21 веке?

Около 30 лет назад были произведены первые опыты по генетической модификации растений. Например, можно взять один ген от одного животного или растения и вживить его в другое животное или растение. Таким способом, например, можно получить картофель, устойчивый к пестицидам.

Генетически модифицированные продукты не только созданы, но их активно употребляют в пищу.

В традиционной селекции происходит скрещивание внутри одного вида. Даже помидор был улучшен селекцией. Но, при селекции происходит обмен между особями одного вида. А генная инженерия позволяет составить новую ДНК и манипулировать ею. Например, если ген светлячка вставить в ДНК табака, то цветок табака начинает светиться, если нуждается в поливе. Селекционными методами этого не возможно добиться!

Протестующие больше всего обращают внимание на негативные процессы этой методики. Но ведь, никто не спорит с тем, что генетически модифицированные продукты нуждается в тестировании!

Все что мы едим, содержит белки. Когда ген попадает в клетки, он закрепляется и начинает вырабатывать новый белок.

Защитники индустрии биотехнологий утверждают, что все процессы, касающиеся генно-модифицированных продуктов, находятся под жестким контролем.

Проводится анализ обыкновенного и трансгенного растения. Ученые должны доказать инспекторам, что пищевые продукты не отличаются по качеству.

Проверка продукта проходит следующие этапы:

1. Сравнение структуры и химического состава обыкновенного и траснсгенного растения.

2. Требуются доказательства того, что употребление нового продукта в пищу не вредит здоровью человека.

Трансгенная соя (обладает устойчивостью к гербицидам) входит в продукты, которые мы употребляем в пищу последние годы.

Токсичен ли новый белок? Несколько лет проводили тестирование белка на токсичность. Кормили мышей дозами в 1000 раз, превышающие дозы, которые потребляет человек. Ученые утверждают, что ничего вредного для организма человека не было выявлено.

Как новые белки перевариваются? Белки, созданные искусственно погружают в раствор, который имеет среду сходную по составу с кишечником. Чем быстрее переваривается продукт, тем лучше.

Эксперименты показали, что новый белок не является аллергеном. Есть и другие способы проверить созданный белок. Если он не проходит проверку, то его уничтожают. Однако, белок трансгенной сои успешно выдержал испытания! Было проведено 1800 анализов, которые показали, что с соевыми бобами все в порядке.

Система тестов работает. Нужно только следовать методике, считают ученые.

Но скептики полагают, что наука знает еще слишком мало, чтобы утверждать, что “все под контролем”. Живые организмы настолько сложны, что предвидеть их поведение практически невозможно.

Однако, традиционные методы селекции не всегда безопасны. Напротив, в генной инженерии точно известны пути внедрения гена. Опять же, скептики уверены, в том, что генная инженерия, использующая новые методы, рискует нанести непоправимый вред природе. Их противники, говорят, что и селекция опасна, т.к. она имеет дело не с одним, а с несколькими генами! А потому результат селекции еще более непредсказуем!

Страшнее всего, то, что лет 30 тому назад экспериментировали с генами, не понимая, что делают!

Сопротивление генно-модифицированной продукции в Европе сильнее, чем где-либо еще в мире. Последнее время внедрение трансгенных продуктов очень затруднено: в Англии таковых продуктов было внедрено около 2000, а теперь осталось меньше 100!

Возможности и перспективы генной инженерии

С поразительной настойчивостью и упорством человек стал добиваться поставленной цели и к концу первого десятилетия XXI века достиг очень многого. Он научился выделять ген из организма и синтезировать его в лабораторных условиях; освоил технологии видоизменения гена для придания ему нужной структуры; нашёл способы введения в ядро клетки преобразованного гена и присоединения его к существующим генетическим образованиям.

Это сложнейшие технологии: они не имеют аналогов в окружающем мире. Ведь ген, молекула ДНК, ядро клетки представляют из себя микроскопические объекты, к которым невозможно подступиться со скальпелем, пинцетом или каким либо другим инструментом. Даже подковать блоху в тысячу раз легче, чем произвести определённые манипуляции, скажем, с тем же самым геномом.

Всё это стало возможно благодаря ферментам – образованиям на основе белка, отвечающим за организацию работы клетки. В частности можно назвать такие ферменты, как рестриктазы. Одна из их функций – защита клетки от инородных генов. Чужая ДНК разрезается этим надёжным стражем на отдельные части, причём существует множество различных рестриктаз, каждая из которых наносит удар в строго определённом месте.

Подобрав набор таких ферментов, можно без труда расчленять молекулу на требуемые участки. Затем необходимо их соединить, но уже по новому. Тут помогает природное свойство генетического материала воссоединяться друг с другом. Помощь в этом оказывают также ферменты лигазы, задача которых заключается именно в соединении двух молекул с образованием новой химической связи.

Непохожий ни на что гибрид создан. Представляет он из себя молекулу ДНК, несущую новую генетическую информации. Такое образование в генной инженерии называют вектором. Его главная задача – передача новой программы воспроизводства намеченному для этой цели живому организму. Но ведь последний может её проигнорировать, отторгнуть и руководствоваться только родными генетическими программами.

Такое невозможно, благодаря явлению, которое носит название трансформация у бактерий и трансфекция у человека и животных. Суть его заключается в том, что если клетка организма поглотила свободную молекулу ДНК из окружающей среды, то она всегда встраивает её в геном. Это влечёт за собой появление у такой клетки новых наследственных признаков, запрограммированных в поглощённую ДНК.

Поэтому, чтобы новая генетическая программа начала работать, необходимо только одно, - чтобы она оказалась в нужной клетке. Это сделать не просто, так как такое сложное образование, как клетка, имеет множество защитных механизмов, препятствующих проникновению в неё чужеродных объектов.

Любые преграды можно обойти. Для начала маленькие – к примеру, введение чужеродных генов в бактерии. Здесь, в качестве вектора, вполне можно использовать плазмиду – кольцевую молекула ДНК малых размеров, располагающуюся в клетках вне хромосом и несущую дополнительные половые признаки. Бактерии постоянно обмениваются плазмидами, поэтому не составляет никакого труда перепрограммировать указанную молекулу и направить в клетку.

Значительно более трудно ввести готовый ген в наследственный аппарат клеток растений и животных. Здесь на помощь приходят вирусы – генетические элементы, одетые в белковую оболочку и способные переходить из одной клетки в другую. Для такой работы прекрасно подходят молекулы ДНК вирусов - фаги. Их «переделывают» под нужные параметры и включают в генетический аппарат животного или растительного организма.

Всё, дело сделано. Внедрённый генетический код начинает работать. Иногда бывают сбои, если часть генов новой ДНК окажутся «молчащими». Таких много в каждом организме. У одних живых существ они прекрасно функционируют, у других же не проявляют себя никак. Видимо прекращают свою деятельность при утере той или иной особью каких-то качеств в процессе эволюции.

Накладки и недоработки учитываются и тщательно анализируются. Непрерывно идут работы, изучающие различные комбинации генов: удаление части их из молекулы или наоборот - добавление составляющих, совсем не свойственных данному живому организму.

Рассматриваются вопросы корректировки механизмов, отвечающих за процесс преобразования наследственной информации ДНК в такой функциональный продукт, как РНК или белок. Всё это обеспечивает высокую эффективность и качество конечных результатов по генетической модернизации окружающего мира.

В наши дни успехи и достижения видны невооружённым глазом. Если рассмотреть такую сферу человеческой деятельности, как сельское хозяйство, то здесь генная инженерия добилась самых впечатляющих результатов.

С начала 80-х годов получено множество геномодифицированных сортов зерновых культур. На конец первого десятилетия XXI века ими засеяно 120 млн. га. земельных угодий по всему миру. Отмечен высочайший уровень урожайности, его потрясающая устойчивость к неблагоприятным климатическим условиям и полное отсутствие паразитов, пожирающих необходимые для людей злаки.

Выведены невиданные раньше сорта картофеля, кукурузы, сои, риса, рапса, огурцов. Количество видов растений, к которым успешно применены методы генной инженерии, превышает цифру 50. Трансгенные плоды имеют более длительный срок созревания, чем обычные культуры. Этот фактор прекрасно сказывается при транспортировке, когда не надо бояться, что продукт перезреет.

Отпадает надобность в селекции, с её ограниченными возможностями получения гибридов только от одних и тех же организмов. Генная инженерия может скрещивать помидоры с картошкой, огурцы с луком, виноград с арбузами – возможности здесь просто потрясающие. Размеры и аппетитный свежий вид полученного продукта могут приятно удивить любого.

Скоро прикажут долго жить химические средства борьбы с вредными насекомыми. Слова инсектициды, акарициды, пестициды будут надёжно забыты, так как внедрённые в растительную клетку овоща, фрукта или зерновой культуры молекулы ДНК, определённых видов бактерий, уничтожат и колорадского жука, и хлопковую совку, и листовёртку, и многих-многих других вредителей сельскохозяйственных угодий. Это сэкономит огромные средства на опыление полей, резко снизит другие затраты и соответственно понизит себестоимость конечного продукта.

Животноводство также находится в зоне интересов генной инженерии. Исследования по созданию трансгенных овец, свиней, коров, кроликов, уток, гусей, кур считаются в наши дни приоритетными. Здесь большое внимание уделяется именно животным, которые могли бы синтезировать лекарственные препараты: инсулин, гормоны, интерферон, аминокислоты.

Так генетически модифицированные коровы и козы могли бы давать молоко, в котором содержались бы необходимые составляющие для лечения такого страшного заболевания, как гемофилия. Инсулин, антитрипсин тоже можно получать из питательной белой жидкости. Не надо забывать и о стоимости. Создание такого типа биологических лекарств обойдётся раз в 20 дешевле, чем производство соответствующих медикаментов при помощи традиционной химии.

Успешно ведутся работы по регулированию обмена веществ, от которого напрямую зависит продуктивность. В овцеводстве вполне реально создать животных, предрасположенных к быстрому росту шерсти. Массовое выведение более крупных пород свиней – дело ближайших лет. То же касается и домашней птицы.

Не надо сбрасывать со счетов и борьбу с опасными вирусами. Генетически устойчивая к различным заразным заболеваниям живность уже существует и очень комфортно чувствует себя в окружающей среде. К таковым можно отнести кроликов, которые стали забывать, что такое лейкоз.

Но самое наверное перспективное в генной инженерии – это клонирование животных. Под этим термином понимается (в узком смысле этого слова) копирование клеток, генов, антител и многоклеточных организмов в лабораторных условиях. Такие экземпляры генетически одинаковы. Наследственная изменчивость возможна только в случае случайных мутаций или, если создана искусственно.

 
Благодаря клонированию можно воспроизводить очень ценные с той или иной точки зрения особи. Это могут быть и представители пород крупного рогатого скота, и овец, и свиней, и скаковых лошадей, и редких пород собак. Примером такого процесса может служить овечка Долли, успешно клонированная из клетки другого взрослого существа. Она появилась на свет в Великобритании 5 июля 1996 года, прожила шесть с половиной лет и умерла 14 февраля 2003 года.

В целом можно считать опыт с овцой успешным. А раз так, то уже не раз задумывались и о клонировании человека. Но тут пока нет позитивных сдвигов, так как технология до конца не отработана. За основу пока берётся метод «переноса ядра». Именно он и был проверен экспериментально при воспроизводстве клона овцы.

Суть данного метода заключается в пересадке ядра яйцеклетки. Новое ядро содержит ДНК именно того организма, который необходимо клонировать. После митотических (деление с сохранением числа хромосом) делений, образуется бластоциста (ранняя стадия эмбриона – состоит из 100 клеток) с ДНК почти идентичной запрограмированному организму. Именно её дальнейшее развитие и обеспечивает появление на свет клонированного существа.

Этот метод имеет ряд недостатков, поэтому поиски более совершенных способов создания абсолютно идентичных биологических образований идут полным ходом во многих странах мира. Люди науки надеются, что уже в недалёком будущем процесс клонирования станет обычным, рядовым явлением, каковым сейчас является операция аппендицита.

Судя по тому, каких успехов добилась генная инженерия за сравнительно небольшой период времени - это не вызывает никакого сомнения. Наоборот, возникает непреклонная убеждённость, что в ближайшие двадцать лет мир изменится до неузнаваемости. Уже сейчас созданы совершеннейшие сложнейшие технологии, кардинально преобразующие жизнь человеческой цивилизации. Гордость, восхищение, восторг – только такими синонимами можно выразить всю гамму чувств.

Минусы генной инженерии

Но…У этой медали есть и оборотная сторона. Эта сторона разительно отличается от блестящего фасада, созданного поклонниками генетической революции. Здесь нет победных реляций и аплодисментов, а лица людей отнюдь не светятся счастьем. Суровая проза жизни уже сейчас показывает во всей красе неприглядные последствия воздействия трансгенных организмов на сбалансированный природой органический мир голубой планеты.

Начать можно с того самого колорадского жука, который, в своё время, так любил лакомиться картошкой. Введённый в её клубни модифицированный ген навсегда отбил охоту у бедного насекомого зариться на чужое добро. Жук просто стал вымирать в массовых масштабах, а урожайность полезного корнеплода расти.

И что же, если кому-то это и принесло счастье, то только тем, кто эту картошку выращивает и продаёт, и то при условии, что они её сами не едят. А дело всё в том, что таким способом защищённые клубни дали попробовать лабораторным мышам. Через небольшой период времени у них развился рак пищевода. Несчастные грызуны стали умирать ничуть не хуже, чем колорадский жук.

Есть вполне обоснованное подозрение, что эту картошку едят и люди. У них конечно организм побольше, покрепче, они не какие-то там лабораторные мыши, но чем чёрт не шутит. Последствия могут отразиться не обязательно на тех, кто эти клубни ест, а скажем, на только что родившемся ребёнке.

Разве мало сейчас случаев, когда рождаются дети с шестью пальцами, со сросшимися ногами, с полным отсутствием гениталий или без глаз и ушей. Это говорит о том, что надёжный генетический аппарат, созданный природой, по каким-то непонятным причинам дал сбой. Винить во всём картошку естественно нельзя, хотя бы потому, что эта сельскохозяйственная культура только вершина айсберга.

Никогда не надо забывать, что генная инженерия – абсолютно новая технология. Необдуманное и неумелое использование этого инструмента не просто разрушает, а вносит хаос в созданные природой генетические барьеры между людьми, животными, растениями и бактериями. Сейчас все кому не лень объединяют гены, не состоящие даже отдалённо в родстве, навсегда и окончательно изменяя их генетический код.

Впервые в истории цивилизации человек стал конструктором и архитектором органической жизни. Биоинженеры уже в ближайшие годы могут создать десятки тысяч новых организмов. Только представив такое, волосы на голове встают от ужаса. Последствия могут быть страшными, так как никто не имеет даже элементарного представления к чему приведут подобные трансформации.

Нельзя сказать, что всем наплевать на конечные результаты столь смелых и дерзких преобразований в такой тонкой области, как генетика. Равнодушных здесь нет. Работы, направленные на прогнозирование здоровья человека, животных, на состояние растительного мира, ведутся, но их ничтожно мало, к тому же выводы невозможно сделать за один день, здесь нужен очень длительный период времени.

Страшные смертельные мутации могут проявиться только во втором или третьем поколении. Но даже при тщательном анализе и прогнозировании последствий от вновь изобретённого трансгенного продукта, никто и никогда на все 100% не сможет гарантировать его полную безопасность. Окончательное заключение могут дать результаты экспериментов, которые нужно проводить десятки лет. Ждать столько никто не будет.

Генная инженерия может нанести смертельный вред сельскому хозяйству, хотя бы потому, что генетически изменённые растения, устойчивые перед вирусами, могут спровоцировать мутацию этих вирусов. Те станут более опасными, примут совсем другие формы и начнут атаковать другие виды растений.

Уже доказано, что некоторые трансгенные растения могут выделять токсины и другие вредные вещества, способные нанести вред птицам, животным, а также насекомым. Те же пчёлы, «наевшись» таких геномодифицированных выделений, просто погибнут, а их мёд будет медленно действующим ядом.

Генетически изменённые сельскохозяйственные культуры и животные уже провоцируют развитие токсических и аллергических реакций у людей. Употребление таких продуктов может привести к фатальным последствиям. Впрочем подобное уже случалось, когда генетически созданные пищевые добавки убивали людей, вызывая смертельные заболевания крови.

Немало учёных считает, что технологии генной инженерии страшнее ядерных технологий. Масштаб бедствий может быть на порядки выше, а нравственная деградация людей, а также морально-этические нормы вообще не поддаются никаким измерениям.

Последнее во многом связывают с клонированием человека. Здесь существуют две абсолютно полярные точки зрения. Одни придерживаются того мнения, что создание идеально похожих людей аморально по сути. Напрочь также отрицают получение эмбрионных стволовых клеток, считая это убийством зарождающейся жизни.