Улучшить и создать с нуля — какие возможности открывает генная инженерия? Рассказывают ученые Пермского Политеха⁠⁠

Еще до открытия ДНК человек научился выводить представителей животных и растений, соответствующих его запросам. Сегодня возможности генной инженерии позволяют не только создать улучшенный организм «из ничего», но и изменить гены человека, избавив того от болезней. Как работает генная инженерия, где связь между ГМО, вакциной и овощами, что сделали с яблоком, чтобы оно не темнело, и чем чревато создание сверхчеловека, рассказали ученые ПНИПУ.

Как работает генная инженерия?

Генная инженерия — это раздел молекулярной биологии, посвященный созданию искусственных генетических систем с нужными свойствами. Она представлена совокупностью методов, приемов и технологий, позволяющих улучшать существующие наборы генов, — геномы, и создавать новые.

Все сведения о строении и функционировании организма зашифрованы в молекуле ДНК. Эта информация передается от родителей к потомкам, поэтому ее называют наследственной. Молекулу ДНК можно разделить на функциональные участки — гены, в них зашифрована информация о строении конкретных белков. Их набор в организме определяет весь спектр его признаков — вплоть до цвета глаз и структуры волос у человека.

— Таким образом, появление признака у организма определяется наличием определенных белков, а их присутствие зависит от наличия кодирующих их генов. Чтобы добавить новое свойство организму, нам надо ввести в его ДНК ген, кодирующий нужный белок, и обеспечить условия для его экспрессии —протекания многоступенчатого процесса синтеза белка. Или, наоборот, если необходимо избавиться от какой-либо черты, можно удалить соответствующий ген или снизить уровень его экспрессии, — объясняет Анна Ахова, кандидат биологических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ.

Например, чтобы добавить ген в генетический набор организма, его необходимо выделить из ДНК организма-донора, получить большое количество его копий и поместить в модифицируемый организм. Для этой процедуры подойдет любая клетка, и обычно используется материал, который легче извлечь без повреждений донора, например, из крови человека. Выделенный фрагмент может вводиться в свободной форме или в составе вектора — молекулы ДНК, которая способна встроиться в геном хозяина или самовоспроизводиться в его клетках. В качестве векторов применяют плазмиды (небольшие кольцевые молекулы ДНК), фаги (вирусы бактерий), вирусы. Вирусный вектор могут вводить в кровь и другие ткани, а также через ингаляции, то есть вводить непосредственно в организм.

Генная инженерия открывает большие возможности в сферах фармацевтики и медицины, животноводства и сельского хозяйства. Самые увлекательные примеры тому приведены ниже.

Факт 1. Генная инженерия — новейшее поколение инструментов, которые применяются для изменения наследственной информации

Предшественниками инновационного раздела биологии являются селекция и индуцированный мутагенез. Первое — это длительный процесс отбора особей с генетическими изменениями, возникшими естественным путем. Например, домашнюю лису вывел генетик Дмитрий Беляев в 1950-е годы. Произошло это благодаря скрещиванию самых послушных и неагрессивных представителей серебристо-черной лисы.

Второе — искусственное получение мутаций с помощью химического или радиационного воздействия, однако оно слабо поддается контролю. В отличие от этих методов, генная инженерия позволяет редактировать генетическую информацию быстро и направленно.

Факт 2. Генные инженеры смогут создавать ранее не существовавшие формы жизни

Методы генной инженерии позволяют конструировать новые, ранее не существовавшие гены, собирая их из фрагментов ДНК разных организмов или воспроизводя химически. Сейчас ученые работают с модификацией известных науке существ. Однако в будущем технологии позволят создать искусственный организм с нуля. На данный момент известен лишь один пример искусственного организма – небольшая бактерия с синтезированным ДНК.

Факт 3. С помощью ГМО получают вещества, необходимые для жизнедеятельности и здоровья человека

Как объясняет Анна Ахова, генетически модифицированные организмы (ГМО), то есть организмы, генетическая информация которых изменена искусственно, применяются как объекты для научных исследований, в сельском хозяйстве и для производства целевых веществ. Поэтому чаще всего объектами для генетических манипуляций становятся бактерии (в основном, кишечная палочка), мыши, крысы, сельскохозяйственные растения и животные, промышленно-значимые продуценты (организмы, которые могут создавать органические вещества из неорганических), например дрожжи.

— Генные инженеры способны также воссоздать некоторые природные процессы, например, синтез гормонов человека за пределами его организма. Они извлекают ген производства человеческого инсулина и помещают его в бактерию. Ее переносят в условия (питательную среду), при которых она может беспрепятственно синтезировать гормон. На выходе получается производство по получению инсулина, необходимого для людей, больных сахарным диабетом, — рассказывает Анастасия Зорина, кандидат биологических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ.

Еще один пример — при помощи генно-модифицированной кишечной палочки получают гормон роста соматотропин, который необходим для нормального роста и развития детей, поскольку способствует удлинению костей с момента рождения ребенка и до конца его полового созревания. Схожим образом воссоздают белок интерферон, который справляется с вирусной инфекцией.

Факт 4. Манипуляции с генами взрослого человека помогают в борьбе с наследственными заболеваниями

Методы генной инженерии применяют для лечения генетически обусловленных заболеваний, в том числе опухолей. Если развитие заболевания объясняется дефектом одного гена, то его можно заменить здоровой копией. Для этого либо выделяют клетки из организма пациента, генетически модифицируют их и вводят обратно в организм, либо сразу вводят улучшенную ДНК в организм, как объясняет Анна Ахова.

Так работает препарат для лечения β-талассемии — заболевания, при котором из-за дефектного гена снижается способность вырабатывать гемоглобин. Лекарство представляет собой функциональный ген, упакованный в вирус-«переносчик», который встраивается в ДНК стволовых клеток костного мозга (предшественников клеток крови). Кроме того, некоторые виды опухолей пытаются лечить за счет введения в организм генов, кодирующих супрессоры — белки, сдерживающие развитие злокачественных образований.

Факт 5. Вакцины также являются генно-модифицированными продуктами

Например, известная комбинированная векторная вакцина для профилактики коронавирусной инфекции COVID-19. В качестве переносчика выступает аденовирус, в него встроен фрагмент генетического материала коронавируса, кодирующего особый белок, который вызывает иммунный ответ.

— Уникальным вариантом вакцин являются трансгенные растения (томаты, табак, бананы, морковь, картофель), в ДНК которых введены гены, чьи белковые продукты вызывают иммунный ответ. Сейчас разрабатываются съедобные вакцины для профилактики гепатита В, кори, холеры, — рассказывает Анна Ахова.

Как это работает: вирус вводят в молодое растение. По мере его роста, формируются вирусные белки, но не инфекционная часть вируса. Съедая плод с такими белками, иммунитет человека формирует антитела для борьбы с вирусом. Организм становится защищенным, а люди не заболевают.

Факт 6. Нетемнеющие яблоки, безлактозное молоко и противовредительные посевы существуют в наши дни

Генетическая модификация растений обеспечивает повышение урожайности, приобретение устойчивости к гербецидам и насекомым, улучшению внешнего вида и питательности, повышению сохранности. Например, получены яблоки, которые не коричневеют на срезе. Это явление часто объясняют окислением железа, но на самом деле мякоть темнеет за счет окисления антиоксидантов при участии фермента полифенолоксидазы. Снижение экспрессии гена, кодирующего этот фермент, замедляет проявление окраски. Другой пример — это введение в геном растения (табака, кукурузы, риса, зерновых) генов, способствующих синтезу вещества, отпугивающего насекомых. Растение приобретает способность синтезировать токсин, становится несъедобным для вредителей. При этом для человека оно не опасно.

Геном животных улучшают, чтобы повысить скорость их роста, качество мяса или шерсти, сопротивляемость болезням, изменить состав молока, чтобы снизить количество аллергенов, лактозы. Интересно, что первым генетически модифицированным животным, разрешенным к продаже в качестве продукта питания, стал лосось. За счет введения генов из тихоокеанской чавычи и американской бельдюги лосось растет быстрее и в течение всего года.

Почему с генной инженерией стоит быть осторожным?

По словам кандидата биологических наук, доцента кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ Анастасии Зориной, в результате халатности ученого, работающего с ГМО, последние могут попасть в окружающую среду, а там начать взаимодействовать с дикими видами. Это способно привести к нежелательным последствиям, в том числе вытеснению дикого видового разнообразия и нарушению экосистем.

— Молекулярно-биологические процессы остаются не до конца изученными, а генетические системы достаточно сложны, поэтому невозможно со 100%-й точностью предсказать все последствия генетических манипуляций. Модификация ДНК может происходить не только в нужных ученым участках, но и в других областях молекулы со сходным строением. При внедрении чужеродной генетической информации может изменяться работа собственных генов. Но это создает трудности лишь для генных инженеров в их попытках получить организмы с заданными свойствами. Не стоит бояться генетически модифицированных организмов и полученных на их основе продуктов, — добавляет Анна Ахова.

— В теории, ученые имеют возможность создать множество модификаций человеческого генома, которые могут дать ему преимущества в борьбе за жизнь: невосприимчивость к вирусам и бактериям, отсутствие наследственных заболеваний, способность к быстрой регенерации клеток и тканей с возможностью отращивать потерянные конечности и т.д. Однако сразу же встает вопрос — имеем ли мы право вмешиваться в законы природы, эволюции? Создание идеального человека может привести, как минимум, к перенаселению. И это только один из множества примеров негативного последствия создания «сверхчеловека», — заключает Анастасия Зорина.