Развитие молекулярной биологии привело к ряду открытий, имеющих важное практическое значение. К числу таких практических достижений принадлежит создание методов синтеза и выделения генов, положивших начало генной инженерии.
Мы знаем уже, что гены представляют собой участки ДНК, которые кодируют ферменты, белковые гормоны, защитные, транспортные и иные белки. Многие из этих белков, синтезируемых в клетках бактерий, животных или растений, представляют большую практическую ценность для медицины, сельского хозяйства, промышленности. Однако чаще всего они производятся клетками в малых количествах и поэтому широкое использование их затруднено или невозможно. Так, важное значение для медицины могло бы иметь производство белкового гормона роста. Встречаются дети, рост которых задержан из-за недостатка в организме этого гормона. Такие дети на всю жизнь остаются лилипутами. Введение этого гормона обеспечило бы им нормальный рост.
Если бы мы научились вводить в клетки растений новые гены, кодирующие полноценные белки, то такие растения не отличались бы по пищевой ценности от продуктов животного происхождения. Недостаток животных продуктов (молока, яиц, мяса, рыбы), которые содержат все необходимые аминокислоты, испытывает более половины населения Земли.
В клетках некоторых бактерий есть белки, которые способны с высокой эффективностью превращать световую энергию Солнца в электрическую энергию. Если бы мы могли производить такие белки в больших количествах, то на их основе можно было бы создать промышленные установки для получения дешевой электроэнергии. Эти и многие другие задачи позволяет решать генная инженерия.
Сегодня известно несколько способов получения генов, кодирующих необходимые белки. Так, разработаны методы химического синтеза молекул ДНК с заданной последовательностью нуклеотидов. Более того, уже синтезирован таким способом ряд генов, кодирующих белковые гормоны и интерфероны - белки, защищающие человека и животных от вирусов.
Наконец, необходимые гены можно не синтезировать, а выделять готовыми из множества генов, имеющихся в составе ДНК клеток данного типа. Разработана специальная техника выделения одиночных нужных генов из всей массы ДНК, где их имеется несколько десятков тысяч.
Синтезированный или выделенный ген встраивают в самокопирующуюся ДНК бактериального вируса и вводят в бактериальную клетку. Такие бактерии начинают синтезировать человеческий или животный гормон, нужный фермент или интерферон. Этим способом в бактерию можно ввести программу синтеза любого белка человека, животного или растения.
На рисунке 25 показана одна из схем получения гена, кодирующего нужный нам белок.
Рис. 25. Схема получения гена требуемого белка.
На первом этапе из клеток выделяют иРНК. Затем на ней, как на матрице, синтезируют нить комплементарной ей ДНК (кДНК). Благодаря этому получается гибридная ДНК-РНК-молекула. После удаления РНК из этой молекулы на оставшейся одноцепочечной ДНК осуществляют синтез второй нити. В результате возникает полноценная молекула ДНК. Используя специальные ферменты, ее встраивают в бактериальные плазмиды (кольцевые внехромосомные молекулы ДНК), которые выполняют роль переносчиков нужных генов. На последнем этапе плазмиды со вставкой встраиваются в бактериальную хромосому. В ней перенесенный ген человека, животного, растения или другого микроорганизма начинает работать, и в бактериальной клетке накапливается необходимый белок, остается лишь выделить его из бактериальной массы. Таких бактерий размножают в промышленных масштабах и получают необходимый белок в больших количествах. Все эти технологические приемы основаны на успехах в познании физикохимических основ жизни. Решение практических задач с помощью описанных методов молекулярной биологии и генетики и составляет сущность генной инженерии.
См. также:
Регуляция транскрипции и трансляции у бактерий
Регуляция у высших организмов
Клеточная инженерия. Биотехнология
Обсудить на форуме
