и
Наука и педагогика 12.08.2020

Что такое генная инженерия и что она изучает?

15 мин.

Генная инженерия: от истоков до наших дней

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.).

Объекты генной инженерии

Наиболее часто объектами для исследования генной инженерии становятся микроорганизмы, клетки растений и низших животных, однако ведутся исследования и на клетках млекопитающих, и даже на клетках человеческого организма. Как правило, непосредственным объектом исследования является молекула ДНК, очищенная от прочих клеточных веществ. При помощи энзимов ДНК расщепляется на отдельные отрезки, причём важно уметь распознавать и выделять нужный отрезок, переносить его при помощи энзимов и встраивать в структуру другой ДНК.

Современные методики уже позволяют достаточно свободно манипулировать отрезками генома, размножать нужный участок наследственной цепи и вставлять его на место другого нуклеотида в ДНК реципиента. Накоплен достаточно большой опыт и собрана немалая информация по закономерностям строения наследственных механизмов. Как правило, преобразованиям подвергаются сельскохозяйственные растения, что уже позволило существенно повысить результативность основных продовольственных культур.

Какие проблемы решает генная инженерия

Цель генной инженерии – изменение свойств и характеристик живых организмов посредством воздействия на их геном (совокупность генов).

В частности, ГИ занимается решением следующих проблем:

  1. придание устойчивости к определенным ядохимикатам (например, у сельхозкультур – к гербицидам);
  2. получение устойчивости к болезням и вредителям;
  3. увеличение продуктивности ГМО;
  4. создание особых качеств и характеристик у модифицируемого объекта.

Изначально с помощью ГИ ученые добивались выведения сельскохозяйственных культур, устойчивых к болезням и дающим рекордные урожаи. Цель – устранение угрозы голода на Земле.

В наши дни цели уже куда масштабней – ученые пытаются посредством ГИ создать способы борьбы с такими серьезными заболеваниями, как ВИЧ или онкология, производить человеческий инсулин с использованием генетически модифицированных бактерий.

Достижения генной инженерии:

  1. создание банка генов клонов бактерий с частицами ДНК различных биологических организмов, в том числе – человека;
  2. промышленное производство инсулина, интерферона, гормональных фармацевтических препаратов на основе ГМ штаммов вирусов, бактерий и дрожжей;
  3. создание высших биологических организмов (растений, рыб, млекопитающих).

Схема

Что такое генная терапия и как она работает

Генная терапия — это введение, удаление или изменение генетического материала, в частности ДНК или РНК (рибонуклеиновая кислота), в клетке пациента для лечения определенного заболевания.

Важно сказать, что генная модификация по сути своей придумана не нами и возникла еще за долго до появления человека. Редактированием кусочков чужого генома всегда занимались вирусы а также некоторые бактерии.

Бактерия приносят в растения последовательности генов, которые нужны бактерии, и растение меняет свой геном. Поэтому люди, безусловно, развили и научились применять технологию видоизменения генов, но ни в коем случае не изобрели ее.

Существует три основных стратегии использования генной терапии для восстановления клеток-мишеней или тканей-мишеней до нормального, здорового состояния:

  • Замена мутировавшего гена, вызывающего заболевание, здоровой копией гена.
  • Инактивация или «выбивание» мутировавших генов, которые функционируют неправильно.
  • Введение нового гена в организм, помогающего бороться с болезнью.

Наиболее часто используемый метод включает вставку «терапевтического» гена в геном для замены «ненормального» или «вызывающего болезнь» гена.

Особенности профессии генного инженера

Генная инженерия – это часть биоинженерии.

Задача генной инженерии – получение организма (растения или животного) с желаемыми качествами.  Эти же задачи решает традиционная селекция, выводящая новые сорта и породы. Но в селекции генотип подвергается изменением лишь косвенно, с помощью искусственного отбора. А генная инженерия  непосредственно вмешивается в генетический аппарат.

Генетическая инженерия является не столько наукой, сколько инструментом биотехнологии. Она использует методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.

Обязанности

Работа генным инженером предусматривает:

  • видоизменение структуры живых организмов на генном уровне с целью усилить их устойчивость к различным вирусам;
  • выведение трансгенных растений;
  • создание эффективных средств борьбы с насекомыми;
  • проведение ряда исследований с целью изучить структуру и специфику генов;
  • постоянное наблюдение за подопытным материалом с последующим составлением письменного отчета о проделанной работе и результативности;
  • написание научных работ и выступление на конференциях.

Генный инженер – это специалист, который должен отлично знать такие предметы, как химия, биология и физика.

Результативная деятельность в данной области невозможна без знания ключевых технологий генной инженерии и умения правильно использовать профессиональное оборудование.

Ученому необходимо в совершенстве владеть английским языком, чтобы не испытывать сложностей при общении с иностранными коллегами и без труда читать литературу.

Перспективы и карьера

Профессия Генный инженер предусматривает широкий спектр возможности дальнейшего трудоустройства. Специалисты подобного профиля востребованы в НИИ, научных центрах и лабораториях, специализирующихся на создании лекарственных препаратов клиниках и организациях.

Что касается продвижения по карьерной лестнице, то начальной ступенькой является должность помощника лаборанта.

При наличии нужного количества практического опыта и безукоризненном выполнении своих обязанностей, специалист вправе рассчитывать на возможность проводить самостоятельные исследования. Перед ним открывается перспектива спустя некоторое время занять место старшего научного сотрудника.

При отсутствии желания заниматься научной деятельностью, есть отличный шанс создать собственное дело, выращивая трансгенные продукты и животных для дальнейшей реализации либо трудиться на должности агронома в одной из сельскохозяйственных организаций.

Чем отличаются генетическая селекция и генная инженерия

Основное, чем отличается генетическая селекция и генная инженерия – это подход к решению одной и той же проблемы.

В первом случае – это отбор и скрещивание биологических объектов с нужными характеристиками. Во втором – это создание ГМО с желаемыми характеристиками посредством вмешательства в структуру ДНК, т.е. модифицирование генотипа встраиванием в него определенного гена (генов).

Селекция – это тип искусственного отбора, осуществляемом человеком для получения определенных качеств биологического объекта.

Например, выведение новых пород животных одного вида (собаки, кошки, куры, коровы и т.д.). Селекция используется для усиления желаемых качеств без насильственного вмешательства в ДНК. Проводится путем скрещивания особей разного пола, т.е. биологическим методом полового размножения.

С помощью ГИ можно получить биологический объект от родителей разной видовой принадлежности, встроив в ДНК одной особи чужеродный ген объекта другого вида.

Свиньи

Изменения в геноме при ГИ осуществляются целенаправленно, а при селекции коррекция генома происходит случайным образом.

Для чего нужна генная инженерия?

К середине ХХ века традиционные методы селекции перестали устраивать учёных, так как это направление обладает рядом серьёзных ограничений:

  • невозможно скрещивать неродственные виды живых существ;
  • процесс рекомбинации генетических признаков остаётся неуправляемым, и необходимые качества у потомства появляются в результате случайных комбинаций, при этом очень большой процент потомства признаётся неудачным и отбрасывается в ходе селекции;
  • точно задать нужные качества при скрещивании невозможно;
  • селекционный процесс занимает годы и даже десятилетия.

Что такое генная инженерия и что она изучает?
Естественный механизм сохранения наследственных признаков является чрезвычайно стойким, и даже появление потомства с нужными качествами не даёт гарантии сохранения этих признаков в последующих поколениях.

Генная инженерия позволяет преодолеть все вышеперечисленные затруднения. С помощью трансгенных технологий можно создавать организмы с заданными свойствами, заменяя отдельные участки генома другими, взятыми у живых существ, принадлежащих к другим видам. При этом сроки создания новых организмов существенно сокращаются. Необязательно закреплять нужные признаки, делая их наследуемыми, так как всегда есть возможность генетически модифицировать следующие партии, поставив процесс буквально на поток.

Безопасна ли генная инженерия?

Вопрос, насколько безопасны трансгенные технологии, периодически поднимается как в научной среде, так и в СМИ, далёких от науки. Однозначного ответа на него нет до сих пор.

Во-первых, генная инженерия остаётся ещё достаточно новым направлением биотехнологий, и статистика, позволяющая делать объективные выводы об этой проблеме, пока что не успела накопиться.

Во-вторых, огромные вложения в генную инженерию со стороны транснациональных корпораций, занимающихся производством продуктов питания, могут служить дополнительной причиной отсутствия серьёзных исследований.
Что такое генная инженерия и что она изучает?
Впрочем, в законодательствах многих стран появились нормы, обязывающие производителей указывать наличие продуктов из ГМО на упаковке товаров пищевой группы. В любом случае, генная инженерия уже продемонстрировала высокую результативность своих технологий, а её дальнейшее развитие обещает людям ещё больше успехов и достижений.

Этические проблемы

Изменения, которые влечет генетическая инженерия, могут быть рассмотрены с двух сторон. С одной стороны, эти изменения существенно помогут нам в борьбе с серьезными генетическими заболеваниями и сильно улучшат уровень жизни людей в моменте. С другой стороны, эти изменения прямо влияют на человеческую эволюцию.

Люди манипулируют генетическим кодом, и эти манипуляции передаются из поколения в поколение. Поэтому главный вопрос, касающийся редактирования генов на сегодняшний день, — это имеем ли мы право «играть в Бога» и менять мир раз и навсегда? Мы думаем, что знаем, что делаем, что точно просчитываем, какие изменения мы вносим в гены.

Однако всегда есть вероятность, что либо мы что-то упустим, либо наша технология не сможет уловить другие изменения, которые были сделаны не нами. И тогда возникает опасение, что эти изменения приводят к устойчивости к антибиотикам или другим мутациям, которые распространяются в популяции и которые очень трудно контролировать.

По сути — это создание неизлечимых болезней или других потенциальных мутаций, которые мы не могли бы контролировать. Сообществу ученых, медиков и юристов предстоят еще не мало исследований, конференций и саммитов для того, чтобы такого рода опасения ушли.

На ряду с этим главным этическим беспокойством имеется еще ряд вопросов, вызывающий в обществе много волнений.

Научные факты опасности генной инженерии

1. Генная инженерия в корне отличается от выведения новых сортов и пород. Искусственное добавление чужеродных генов сильно нарушает точно отрегулированный генетический контроль нормальной клетки. Манипулирование генами коренным образом отличается от комбинирования материнских и отцовских хромосом, которое происходит при естественном скрещивании.

 

2. В настоящее время генная инженерия технически несовершенна, так как она не в состоянии управлять процессом встраивания нового гена. Поэтому невозможно предвидеть место встраивания и эффекты добавленного гена. Даже в том случае, если местоположение гена окажется возможным установить после его встраивания в геном, имеющиеся сведения о ДНК очень неполны для того, чтобы предсказать результаты.

 

3. В результате искусственного добавления чужеродного гена непредвиденно могут образоваться опасные вещества. Это могут быть токсические вещества, аллергены или другие вредные для здоровья вещества. Сведения о подобного рода возможностях ещё очень неполны.

 

4. Не существует совершенно надёжных методов проверки на безвредность. Более 10% серьёзных побочных эффектов новых лекарств не возможно выявить несмотря на тщательно проводимые исследования на безвредность.

Степень риска того, что опасные свойства новых, модифицированных с помощью генной инженерии продуктов питания, останутся незамеченными, вероятно, значительно больше, чем в случае лекарств.

 

5. Существующие в настоящее время требования по проверке на безвредность крайне недостаточны. Они совершенно явно составлены таким образом, чтобы упростить процедуру утверждения. Они позволяют использовать крайне нечувствительные методы проверки на безвредность. Поэтому существует значительный риск того, что опасные для здоровья продукты питания смогут пройти проверку незамеченными.

 

6. Созданные до настоящего времени с помощью генной инженерии продукты питания не имеют сколько-нибудь значительной ценности для человечества. Эти продукты удовлетворяют, главным образом, лишь коммерческие интересы.

 

7. Знания о действии на окружающую среду модифицированных с помощью генной инженерии организмов, привнесённых туда, совершенно недостаточны. Не доказано ещё, что модифицированные с помощью генной инженерии организмы не окажут вредного воздействия на окружающую среду. Экологами высказаны предположения о различных потенциальных экологических осложнениях. Например, имеется много возможностей для неконтролируемого распространения потенциально опасных генов, используемых генной инженерией, в том числе передача генов бактериями и вирусами. Осложнения, вызванные в окружающей среде, вероятно, невозможно будет исправить, так как выпущенные гены невозможно взять обратно.

 

8. Могут возникнуть новые и опасные вирусы. Экспериментально показано, что встроенные в геном гены вирусов могут соединяться с генами инфекционных вирусов (так называемая рекомбинация). Такие новые вирусы могут быть более агрессивными, чем исходные. Вирусы могут стать также менее видоспецифичными. Например, вирусы растений могут стать вредными для полезных насекомых, животных, а также людей.

 

9. Знания о наследственном веществе, ДНК, очень неполны. Известно о функции лишь трёх процентов ДНК. рискованно манипулировать сложными системами, знания о которых неполны. Обширный опыт в области биологии, экологии и медицины показывает, что это может вызвать серьёзные непредсказуемые проблемы и расстройства.

 

10. Генная инженерия не поможет решить проблему голода в мире. Утверждение, что генная инженерия может внести существенный вклад в разрешение проблемы голода в мире, является научно необоснованным мифом.

 

Невероятные примеры генной инженерии

Эко-свинья, или как критики ее еще называют Франкенсвин – это свинья, которая была генетически изменена для лучшего переваривания и переработки фосфора.

В 2007 году южнокорейский ученый изменил ДНК кота, чтобы заставить его светиться в темноте, а затем взял эту ДНК и клонировал из нее других котов, создав целую группу пушистых флуоресцирующих кошачьих

Ученые недавно выделили ген, отвечающий за яд в хвосте скорпиона, и начали искать способы введения его в капусту.

Ученые Вашингтонского университета работают над созданием тополей, которые могут очищать загрязненные места при помощи впитывания через корневую систему загрязняющих веществ, содержащихся в подземных водах.

Генетически модифицированный лосось компании «AquaBounty» растет в два раза быстрее, чем обычная рыба этого вида.

Источники

  • https://basisgenotech.ru/articles/gennaya-inzheneriya-ot-istokov-do-nashikh-dney/
  • http://www.vseznaika.org/biology/chto-takoe-gennaya-inzheneriya-i-chto-ona-izuchaet/
  • https://ktonanovenkogo.ru/voprosy-i-otvety/gennaya-inzheneriya-ehto.html
  • https://vc.ru/future/109057-gennaya-inzheneriya-sostoyanie-na-2020
  • https://www.profguide.io/professions/Gennyy_inzhener.html
  • https://profitworks.com.ua/professii/nauchnaya-deyatelnost/gennyj-inzhener
  • https://semeynypsiholog.mirtesen.ru/blog/43330523658/opasnost-gennoy-inzhenerii
  • https://zen.yandex.ru/media/id/5d03731f3ad2340d4ce5185b/gennaia-injeneriia-chto-eto-takoe-5d05956454904b0d65095358
[свернуть]
Оцените статью
Понравилась статья?
Комментарии (0)
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Комментарии закрыты.