Генная инженерия
Генная инженерия — отрасль биологии, возникшая на стыке химии нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и генетики микроорганизмов. Она занимается расшифровкой структуры генов, синтезом генов химическим или биохимическим путем, клонированием генов, вставкой выделенных или вновь синтезированных генов в клетки организмов с целью направленного изменения их наследственных свойств. Генная инженерия осуществляет вековую мечту человечества — управление наследственностью.
Два открытия сделали возможным создание генной инженерии. Первое из них — открытие специфических белков — ферментов, названных рестриктазами. Рестриктазы рвут, разрезают последовательность нуклеотидов в ДНК, но не где попало, а только в тех местах, где имеется сочетание определенных нуклеотидов, узнаваемое только данной рестриктазой. Эти «умные» ферменты выделяют из микроорганизмов, которых они защищают от чужой генетической информации (например, от ДНК вируса). С помощью рестриктаз можно получать разрезанные по одинаковым местам части ДНК, например включающие последовательность нуклеотидов, кодирующую определенный белок. Таким белком может быть инсулин, необходимый для лечения диабета, человеческий гормон роста или же интерферон, применяемый для лечения вирусных заболеваний.
Важен для генной инженерии и другой фермент — лигаза, «пришивающий» отрезки ДНК один к другому. С его помощью можно, смешав в пробирке растворы разных разрезанных (рестриктированных) молекул ДНК, сшить их в один ген, т. е. соединить одну последовательность с другой.
Второе открытие, лежащее в основе генной инженерии, — размножающиеся в клетках бактерий генетические элементы. Это кольцевые молекулы ДНК относительно небольшой длины (не более 100 тыс. нуклеотидных пар). Их называют плазмидами. Возможно, плаз-миды берут начало от так называемых умеренных фагов (см. Бактериофаг) — вирусов, не убивающих бактериальную клетку, а передающихся из поколения в поколение бактерий. Плазмиды и умеренные вирусы могут передаваться от клетки к клетке, и гены, входящие в состав их кольцевой ДНК, могут быть матрицами для синтеза специфических белков по обычному механизму — через информационную (матричную) РНК с участием рибосом хозяина (см. Транскрипция, Трансляция). Плаз-мидная и фаговая ДНК могут также разрезаться рестриктазами и сшиваться лигазами.
Генная инженерия возникла, когда ученые установили, что с помощью рестриктаз и лигаз можно вставить в плазмиду или умеренный фаг чужеродные гены, а затем заразить ими бактерию. Трудности со вставкой в бактериальные плазмиды и фаги (их называют векторами, переносчиками) генов высших организмов были быстро преодолены. Сейчас генные инженеры усердно ищут умеренные вирусы, которые смогли бы стать безопасными векторами для клеток эукариот.
Уже сейчас генная инженерия может дать в неограниченном количестве гормоны и другие белки человека, необходимые для лечения генетических болезней (например, инсулин, гормон роста и др.). Их синтезируют размножаемые в больших количествах бактерии, в которые были введены соответствующие гены. В ближайшем будущем этим путем будут получены ингибиторы (замедлители) роста злокачественных опухолей, интерфероны для лечения вирусных болезней, энкефалины и эндор-фины для лечения психических заболеваний. В принципе можно заставить бактерии синтезировать белки мяса или молока. В конце нашего века, вероятно, будет решена проблема направленного изменения наследственности высших растений, что произведет революцию в сельском хозяйстве. В первую очередь речь пойдет о создании симбиоза между злаковыми растениями и азотфиксирующими бактериями (см. Азотфиксация), а это решит проблему азотных удобрений. Затем возникнет возможность создания принципиально новых видов культурных трав, кустарников и деревьев.
Направленное изменение наследственности животных и человека — задача несравненно более трудная, но в принципе разрешимая. Как только получат векторы, безопасные для клетки, и будет разгадан до конца механизм активации, «включения и выключения» генов, исследователям останется преодолеть технические трудности. Это будет важный шаг к победе не только над генетическими болезнями, но и над старостью. Тогда врачи смогут заменять в организме пожилых людей «испорченные» в результате мутаций гены на нормальные.
