Зачем генная инженерия микробиологам?
Генная инженерия — это набор технологий, которые позволяют направленно менять сами гены или их активность, переносить гены из одного контекста в другой и т. д. Основа современной генной инженерии — методы рекомбинантной ДНК, появившиеся в середине 70-х годов.Генная инженерия широко применяется в фармакологии. Например, человеческий инсулин — гормон, применяющийся для лечения сахарного диабета — производится с помощью таких технологий. Для этого ген человеческого инсулина помещают в клетку организма-продуцента. Сначала в качестве клеток-продуцентов использовали бактерий, потом перешли на клетки дрожжей. Можно также использовать клетки растений. Во всех случаях, полученные клетки, не существовавшие в природе, производят гормон в больших количествах, его выделяют, очищают и продают.
Моноклональные терапевтические антитела, с помощью которых лечат рак, например ритуксимаб [1] и бевацизумаб [2], тоже производят с помощью генной инженерии — гены, кодирующие специальным образом отобранные белки-антитела, вводят в клетки млекопитающих. Полученные клетки используются как фабрики по наработке целевых антител. В микробиологической промышленности на генно-модифицированных штаммах бактерий держится гигантский рынок: пищевые добавки, аминокислоты, антибиотики и так далее.
Многие вакцины, например российская вакцина от коронавируса «Спутник-V», тоже сделаны путем генно-инженерных манипуляций. В этом случае в геном безвредного аденовируса вводится ген «шипа» коронавируса, и получается такой «тяни-толкай» — не существовавшая ранее в природе конструкция, где аденовирус является, как говорят биологи, «вектором», носителем «полезного груза» — в данном случае генетической информации, необходимой для синтеза S-белка коронавируса, антигена, к которому должны выработаться антитела, которые защитят нас от коронавирусной инфекции в будущем.
В генной инженерии используются и человеческие клетки. При этом, речь не идёт о непосредственном изменении клеток человека в организме. Вместо этого человеческие клетки используются как устройства, в которые можно добавить что-то еще, какой-нибудь другой ген. Получаются, по сути, новые клетки, которых ранее не существовало, и они будут производить интересующие вас продукты или позволят лучше понять, как устроены и как работают наши клетки и отдельные гены. В лабораториях существует большое количество культур клеток, взятых когда-то от людей, многие из которых уже умерли. К примеру, популярная культура, с которой работают ученые, называется «HeLa» — она была получена из эндометрия женщины-афроамериканки по имени Генриетта Лакс, которая жила в 20-х годах прошлого века. Эти клетки раковые, поэтому они бессмертны и используются по всему миру.
Генная инженерия далеко не всегда означает работу только с клетками. Например, можно ввести в клетки какого-то сельскохозяйственно важного растения ген устойчивости к вредителям (обычно это ген бактерии). А затем из такой клетки можно получить целое растение, все клетки которого будут содержать введенный ген. Потомки этого растения также будут содержать введенный ген. Такие растения могут сохранить все свои потребительские качества, но при этом не потребуют постоянного полива пестицидами, потому что продукт нового гена делает их токсичными для насекомых-вредителей.
Как диагностировать болезни с помощью генной инженерии?
Если у нас есть технология, которая помогает «вырезать» и «вставлять» участки ДНК в нужные места генома, то с ее помощью мы можем не только создать что-то новое, но и лучше понять, как работают конкретные гены. Для этого, например, можно выключить какой-то ген и посмотреть, что будет после этого с клеткой. Генетики работают в этом смысле как оставленные без присмотра в комнате с часами маленькие дети. Чтобы понять, как работают часы, мы начинаем потихоньку убирать из них шестеренки и смотреть, что получается.Иногда результат может получиться неинформативным. Например, можно убрать стрелку часов, и тогда они станут бессмысленным прибором, но их механизм будет работать точно так же. Тем не менее, с помощью такого подхода можно выяснить определенные причинно-следственные и функциональные связи. Чтобы определить функции всех 25 тысяч генов у человека, мы не будем создавать живых людей с мутациями в каждом из генов. Но можно испортить или, наоборот, включить на всю катушку каждый из 25 тысяч генов в клетках человеческого происхождения с помощью направленного геномного редактирования и посмотреть, что получится. Сейчас многие этим занимаются. Выясняется, что при выключении некоторых генов клетки просто умирают — это означает, что данный ген важен для жизни. В случае других генов, клетки продолжают жить как ни в чем не бывало, значит, испорченные в них гены не важны для жизни, по крайней мере в условиях клеточной культуры. В некоторых интересных случаях мутантные клетки приобретают характерные изменения относительно исходной клетки. Если изучить, что это за изменения, можно понять, для чего нужен тот или иной ген. Например, выключение определённых генов может приводить к тому, что клетка начинает вести себя как раковая. Значит, можно сделать вывод, что повреждённый нами ген в норме является супрессором развития опухоли.
Такого рода исследования крайне полезны. Они не обязательно влияют на медицину с точки зрения развития новых методов лечения, но могут помочь, например, в разработке новых методов диагностики. Хоть нам до сих пор неизвестна генетическая основа многих злокачественных опухолей, повреждения упомянутого выше гипотетического гена супрессора опухолей могут использоваться для диагностики. Таким же образом, можно определить, изменения в каких генах влияют на устойчивость к лекарствам, используемых при терапии раковых заболеваний. Эта информация поможет в выборе оптимальной терапии для конкретного пациента.
Чем генное редактирование лучше генного модифицирования?
Нравится нам это или нет, но породы домашних животных и сорта сельскохозяйственных растений всегда выводятся путём генетической модификации. Вопрос только в том, как эта модификация производится. До недавних пор организмы с интересующими свойствами отбирались в результате селекции. Селекционер позволял размножаться лишь каким-то особям, которые отличались от остальных, например, по внешнему виду. Но причины этих отличий были генетическими. В результате искусственного отбора, который велся на протяжении многих поколений, возникали формы, геном которых отличался от того, что было в начале. В этом смысле ни один из потребляемых нами сельхозпродуктов не является естественным: он не был создан природой, а был получен в результате эволюции, направленной на улучшение того или другого потребительского свойства.Генные модификации работают по тому же принципу, только предполагают не медленную селекцию в течении многих поколений с выбраковкой животных или растений, не устраивающих селекционера, а удаление или вставку довольно больших отрезков ДНК, например, внесение какого-то нового гена, часто в случайное место генома. Генное редактирование позволяет направленно и очень точно изменять единичные “буквы” ДНК — её азотистые основания. Это значительно расширяет возможности для создания новых пород животных и сортов растений, расширяет способности модификации и улучшения уже известных ГМО-линий.
Например если у вас есть штамм, который производит инсулин, то с помощью геномного редактирования вы можете увеличить выход инсулина, что в конечном счете снизит его цену. Делается это чаще всего с помощью технологии CRISPR-Cas — она позволяет внести “правку” в любое интересующее место генома.
Возможно, геномное редактирование позволит решить некоторые проблемы с ГМО, потому что на смену ГМО придут ГРО — генно-редактированные организмы. Они могут оказаться психологически более приемлемыми для многих людей. Людям обычно не нравится, когда ученые вносят целый ген бактерии в растение — они воспринимают это как холерный вибрион под видом капусты или как гибрид банана и зебры. Генное редактирование позволяет направленно вводить в нужное место такие мутации, которые возникают естественным путем.
Сейчас легко определить геном того или другого сорта, понять чем они отличаются, а потом попытаться создать организм с новым вариантом генома, частично совместив генетические изменения, присутствующие в двух родительских формах. Допустим, английская порода коров ангус даёт вкусные стейки. Мы хотели бы такое чудо у себя завести, но у нас не Англия и ангусам у нас не очень комфортно. Мы хотели бы взять какую-нибудь русскую буренку, оставить её такой же неказистой, но приспособленной к местным условиям, но сделать ее мясо подобным мясу ангуса по вкусовым качествам.
Чтобы решить такую задачу, мы можем определить геном животного из той и другой породы, найти отличия между ними, и попытаться с помощью методов биоинформатики предсказать, что делает мясо ангуса таким, какое оно есть, а затем направленно внести эти изменения в нужные места ДНК нашей буренки с помощью генного редактирования. Эту задачу можно было бы выполнить путём длительных скрещиваний и отбора. Вместо этого мы можем работать с геномом, как инженеры с чертежом, что-то направленно менять, оценивать результаты, потом делать следующие шаги и т. д. Если бы мы двигались с помощью скрещиваний, то получили бы в конце концов ровно такой же результат, просто процесс занял бы гораздо больше времени. Но так как конечные два объекта, полученные скрещиванием или редактированием генома, генетически неотличимы, у людей, которые боятся ГМО, нет причин говорить, что полученное животное или растение какое-то не такое.
В сущности, “поблажки” на геномное редактировнае есть даже в «драконовском» законе о ГМО в России. Согласно ему, не считаются ГМО те организмы, в которые введены изменения, которые могли бы возникнуть естественным путем. Логика при этом такая: если мы вносим ген бактерии в растения, естественным путём такого бы случиться не могло. Но если мы просто “подкрутим” собственные гены растения или животного, изменяя одни буковки ДНК на другие, то это могло бы произойти естественным путем, просто нужно было бы очень долго ждать.
С полным текстом статьи вы можете ознакомиться на сайте Постнауки: https://postnauka.ru/faq/156483