Генетична інженерія

Ге́нна інжене́рія — це біотехнологічна сукупність прийомів, методів і технологій одержання рекомбінантних РНК і ДНК, виділення генів з організму (клітин), здійснення маніпуляцій з генами і введення їх в інші організми.

Методи

Генна інженерія ґрунтується на молекулярній біології, яка дає можливість вносити зміни в молекулярну взаємодію основних біологічних молекул у клітині й поза нею.

Біологи оволоділи методами, які дають можливість маніпулювати біологічними молекулами, досліджувати і змінювати їхню структуру. За рахунок змін в основних біологічних молекулах ДНК є можливість створювати варіанти живих систем, які не виникають в результаті природної еволюції.

Технології одержання рекомбінантних молекул ДНК і клонування (розмноження) генів передавали методи, за допомогою яких молекулу ДНК розщеплюють на фрагменти, модифікують і знову реконструюють в одне ціле. При цьому мають багато копій цієї молекули. Потім, використовуючи цю рекомбінантну молекулу, можна синтезувати молекули РНК і одержати білок з певними якостями і властивостями.

Існує кілька доступних інструментів для редагування генів, усі вони використовують ферменти, що діють на ДНК, які називаються нуклеазами. Різні інструменти редагування діють за спільним основним принципом: фермент спрямовується до певного цільового сайту в геномі: або за допомогою напрямної послідовності, або за допомогою специфічних доменів зв'язування ДНК у самій нуклеазі.

Технологія редагування генома CRISPR-Cas9 викликала великий ажіотаж у галузі геномної інженерії та генної терапії, коли її вперше описали як інструмент редагування в 2012 році, і за останні роки вона досягла вражаючого прогресу. Дослідники зараз широко використовують CRISPR для маніпулювання геномом для різноманітних застосувань, включаючи функціональну геноміку, діагностику, візуалізацію ДНК та терапію захворювань.

Історія

Слід зазначити, що чіткої різниці між молекулярною біологією і генною інженерією немає. Пояснюється це тим, що біотехнологія (в даному випадку генна інженерія) використовує методи, розроблені молекулярною біологією.

Вивчення загальних біохімічних властивостей клітинної ДНК не давало можливості визначити особливості її генетичної структури. Вирішенню цього питання сприяли два методи молекулярної біології. Перший метод — відкриття гідролітичних ферментів (рестриктаз рестрикційних ендонуклеаз), які в певних місцях розщеплюють ДНК на фрагменти, що мають специфічну нуклеотидну послідовність молекули ДНК. Рестриктази одержують з бактеріальних клітин.

Ферменти рестриктаз гідролізують нуклеотидні послідовності, в результаті чого мають фрагменти ДНК. їх може бути від кількох сотень до кількох тисяч і більше пар, вони розрізняються за молекулярною масою. Фрагменти виділяють в ізольованому вигляді за допомогою електрофорезу в гелі, а потім аналізують.

Другим методичним прийомом є визначення нуклеотидної послідовності фрагментів ДНК, які одержують за допомогою рестриктаз у макромолекулі ДНК.

Близько 50 років тому було експериментально встановлено, що молекула ДНК є носієм спадковості. Вивчення спадковості на молекулярному рівні дало можливість з'ясувати, що в ДНК запрограмована «інструкція» щодо синтезу необхідних білків організму.

Пізніше було виявлено, що «інструкція» записана відповідно до послідовності розміщення нуклеотидів у ДНК і згідно з цим записом синтезується білок речовин, які беруть участь у синтезі.

При визначенні послідовності нуклеотидів або повному прочитуванні генетичної інформації в ДНК було багато проблем. Для невеликої молекули — транспортної РНК (тРНК), завданням якої є транспортувати частини білків — амінокислоти до місця збирання білка, проблема нуклеотидної послідовності була вирішена ще в 1965 р. групою американських вчених. Вони опрацювали принципи і методи, за допомогою яких можна визначити послідовність розміщення нуклеотидів у тРНК.

Молекули ДНК містять багато нуклеотидів. Навіть маленькі молекули включають їх понад 5000. Так, в одній з найменших вірусній ДНК фагу ФХ174 є 5375 нуклеотидів. В тРНК їх приблизно 80. У 1975 р. була опублікована стаття англійських вчених Ф. Сенгера і А. Коулсона, де йшлося про новий метод аналізу ДНК. Після цієї статті менш ніж через два роки були опубліковані результати визначення повної послідовності нуклеотидів ДНК фагу ФХ174.

Послідовність розміщення нуклеотидів у ДНК позначають початковою буквою назви нуклеотиду: аденін — А, цитозин — Ц, гуанін — Г, тимідин — Т. Так, навіть для запису послідовності нуклеотидів маленької ДНК фагу ФХ174, яка має 5375 нуклеотидів, потрібно близько трьох сторінок машинопису.

Пари азотистих основ формують різні інформаційні блоки, кількість яких у геномі (сукупності всіх генів хромосоми організму) становить 50—100 тис.

Одночасно з визначенням послідовності розміщення нуклеотидів у молекулі ДНК на прикладі вірусів були визначені ділянки, які не входять до структури гена, не кодують білки, але беруть участь у регуляції експресії генів і самовідтворенні (реплікації) вірусної ДНК.

У молекулярній біології розроблено методи виділення генів донорських організмів, уведення їх у векторну молекулу і одержання гібридних (рекомбінантних) ДНК, забезпечення їхнього самовідтворення (реплікації), переносу в організм реципієнта (клітину-господаря) і забезпечення відчутності дії (експресії) чужих генів.

Для перенесення генів, яких немає в клітині-реципієнті, використовують переносники (вектори) генів — плазміди (епісоми) — невеликі кільцеві молекули ДНК, здатні до стабільного, не пов'язаного з хромосомами існування і реплікації. Плазміди можуть також бути в геномі клітини-господаря, в хромосомі. Вони є в цитоплазмі бактеріальних клітин деяких дріжджів. Автономне існування їх зумовлене тим, що їхнє розмноження не залежить від розмноження хромосом. Розмір їх різний, і тому розмір генетичної інформації в них теж неоднаковий. За рахунок реплікації кількість копій плазмід регулярно збільшується і вони рівномірно розподіляються між потомством клітини, яка ділиться.

Рекомбінантні молекули ДНК використовуються і будуть використовуватися в роботі з мікроорганізмами для виробництва різних цінних речовин у медицині, біохімічній промисловості, сільському господарстві. Зокрема добутки генної інженерії використанні для створення нових типів вакцин — рекомбінантних і ДНК-вакцин, а також лікування генетичних дефектів, які раніше не можливо було виправити. Велике значення при цьому має метод клонування генів.

Технологія конструювання рекомбінантних ДНК є одним з найважливіших досягнень біотехнології. Стосовно рослинництва вона має велике майбутнє у створенні сортів і гібридів з корисними біологічними та екологічними властивостями. Це — високі врожайність і якість врожаю, стійкість проти хвороб, шкідників, бур'янів, здатність до активної азотфіксації, одночасність дозрівання, посухостійкість, високий коефіцієнт засвоєння ФАР (висока продуктивність) та ін.

Генна інженерія і медицина

Редагування генів є потенційним підходом до зміни геному людини для лікування генетичних захворювань, вірусних захворювань і окнологічних патологій.

Людські клітини, в яких деякі білки, об'єднані з зеленим флуоресцентним білком

Згенеровані за допомогою генної інженерії онколітичні віруси^[en] у дослідах здатні вбивати клітини раку. Перший медичний препарат на основі генно-модифікованого вірусу Talimogene laherparepvec^[en] (T-VEC) був затверджений FDA у жовтні 2015 р. для лікування пацієнтів з меланомою, яка не операбельна, тобто не може бути видалена хірургічним шляхом.

Деякі з останніх досягнень генотерапії:

• Групою вчених у 2020 році була проведена генотерапія для омолодження та відновлення нервового волокна сітківки. Старим мишам ввели за допомогою аденовірусу гени, які синтезують фактори Яманакі, які епігенетично омолоджують клітини. Таке омолодження клітин дозволило відновити штучно пошкоджений оптичний нерв — нервові волокна бувально виросли знову. Вчені досягли х2 збільшення кількості клітин сітківки і х5 прискорення росту оптичного нерва.
• У 2022 році завдяки новій формі редагування генів («base editing») молода дівчина у Великій Британії, хвора на лейкемію, була вилікована за 6 місяців. Редагування основи та мультиплексування можуть забезпечити більш ефективне лікування CAR-T для пацієнтів з невиліковними раковими захворюваннями.
• У 2022 році голландські вчені з Інституту Губрехта, UMC Utrecht та Oncode Institute використали іншу форму редагування генів — первинне редагування — для виправлення мутації, яка спричиняє муковісцидоз у стовбурових клітинах людини. Крім того, корейські дослідники з Університету Йонсей успішно використовували первинне редагування для лікування захворювань печінки та очей у дорослих мишей.
• У 2022 році генотерапія CRISPR забезпечило функціональне лікування бета-таласемії та серпоподібноклітинної анемії. CRISPR Therapeutics і Vertex Pharmaceuticals вилікували понад 75 пацієнтів, у результаті чого було створено кілька широко розрекламованих «функціональних ліків». Вони очікують схвалення FDA для Exa-Cel, лікування серпоподібно-клітинної та бета-таласемії, на початку 2023 року.
• Також у 2022 році регулятори схвалили кілька знакових клітинних і генних терапій, зокрема Hemgenix для лікування гемофілії В, Zyntelgo для бета-таласемії, Skysona для церебральної адренолейкодистрофії, Yescarta і Breyanzi для неходжкінської лімфоми, Tecartus для мантійно-клітинної лімфоми, а також Carvykti і Abecma для множинної мієломи.

Генна інженерія і сільське господарство

На сьогоднішній день генетична інженерія сільськогосподарських рослин розвивається переважно в руслі класичної селекції. Основні зусилля вчених зосереджені на захисті рослин від несприятливих (біотичних та абіотичних) факторів, покращенні якості та зменшенні втрат при зберіганні продукції рослинництва. Зокрема, це підвищення стійкості проти хвороб, шкідників, заморозків, солонцюватості ґрунту тощо, видалення небажаних компонентів із рослинних олій, зміна властивостей білка і крохмалю в пшеничному борошні, покращення лежкості та смакових якостей овочів та ін. Порівняно з традиційною селекцією, основними інструментами якої є схрещування і відбір, генна інженерія дає можливість використання принципово нових генів, які визначають агрономічно важливі ознаки, і нових молекулярно-генетичних методів моніторингу трансгенів (молекулярні маркери генів), що в багато разів прискорюють процес створення трансгенних рослин. Селекціонерів приваблює можливість цілеспрямованого генетичного «ремонту» рослин. Важливим напрямом є створення генетично модифікованих рослин (ГМР) з ознакою чоловічої стерильності. Крім того, завдяки генетичній модифікації рослини можуть виконувати не властиву їм раніше функцію. Прикладом є коренеплоди цукрових буряків, які накопичують замість сахарози ?низькомолекулярні ?фруктами ?, банани, які використовують як їстівну вакцину. Завдяки введенню генів бактерій вищі рослини набувають властивості руйнувати чужорідні органічні сполуки (ксенобіотики), що забруднюють довкілля. Вирощування ГМР, стійких до широкого спектра хвороб та комах-шкідників, може суттєво знизити, а в подальшому звести до мінімуму пестицидне навантаження на довкілля.

Генетично модифіковані рослини в Україні

Зростання площ під трансгенними культурами в розвинених країнах йде значно інтенсивніше порівняно з країнами, що розвиваються. Нині в Україні випробовуються трансгенні сорти кукурудзи, цукрових буряків і ріпаку, стійкі проти гербіцидів; кукурудзи, стійкої проти кукурудзяного метелика, а також картоплі, стійкої проти колорадського жука. Створено систему органів, які з залученням спеціалістів (генетиків, селекціонерів, генних інженерів, екологів, медиків, токсикологів) оцінюють трансгенні сорти для визначення потенційного впливу на людину, тварин і довкілля. Лише після таких експертиз сорт допускається до випробування з дотриманням усіх відповідних вимог, прийнятих у Європейському Союзі.

При розгляді проблеми можливого впливу трансгенних рослин на довкілля, обговорюються в основному такі основні аспекти:

• сконструйовані гени будуть передані з пилком близькородинним диким видам, і їхнє гібридне потомство набуде властивості підвищеної насіннєвої продуктивності та здатність конкурувати з іншими рослинами;
• трансгенні сільськогосподарські рослини стануть бур'янами і витіснять рослини, які ростуть поряд;
• трансгенні рослини стануть прямою загрозою для людини, домашніх та диких тварин (наприклад через їхню токсичність або алергенність).

Ще одним важливим аспектом є отримання трансгенних рослин з кращою здатністю використовувати мінеральні речовини, що, крім посилення їхнього росту, буде перешкоджати змиву таких сполук у ґрунтові води та потраплянню в джерела водопостачання.

Гарантією проти небажаних наслідків генетичної модифікації рослин є законодавче регулювання поширення ГМР та розробка пов'язаних із цим методів оцінки екологічного ризику. Крім того, значна увага приділяється достатній інформованості агрономів, селекціонерів, насіннєводів, потенційних покупців щодо особливостей продуктів із генетично модифікованих рослин. В Україні та ряді інших країн прийняті закони, які попереджують несанкціоноване розповсюдження трансгенного насіннєвого матеріалу, що забезпечує моніторинг у посівах, а також маркування харчових товарів, виготовлених із продуктів ГМР або з їх додаванням.

Література

• Книги: Genetic Engineering: Principles and Methods.
• Журнали: Biotechnology and Genetic Engineering Reviews, Nature Reviews Genetics, Nature Genetics, Genome Biology, Signal Transduction and Targeted Therapy, Annual Review of Genetics.

Див. також

• Редагування генома
• Генотерапія
• Синтетична геноміка
• Клітинна інженерія
• Тканинна інженерія
• Наномедицина

Примітки

1. Synthego | Full Stack Genome Engineering. www.synthego.com (англ.). Процитовано 13 січня 2023. 
2. Synthego | Full Stack Genome Engineering. www.synthego.com (англ.). Процитовано 13 січня 2023. 
3. Synthego | Full Stack Genome Engineering. www.synthego.com (англ.). Процитовано 13 січня 2023. 
4. Bak, Rasmus O.; Gomez-Ospina, Natalia; Porteus, Matthew H. (2018-08). Gene Editing on Center Stage. Trends in genetics: TIG 34 (8). с. 600–611. ISSN 0168-9525. PMID 29908711. doi:10.1016/j.tig.2018.05.004. Процитовано 6 грудня 2022. 
5. Kromer, Michael (12 січня 2023). What The Market Overlooked in 2022: A Letter from Cathie Wood, ARK Founder, CEO, & CIO. ARK Invest (амер.). Процитовано 13 січня 2023. 
6. Stone, Daniel; Niyonzima, Nixon; Jerome, Keith R. (2016-9). Genome editing and the next generation of antiviral therapy. Human genetics 135 (9). с. 1071–1082. ISSN 0340-6717. PMC 5002242. PMID 27272125. doi:10.1007/s00439-016-1686-2. Процитовано 6 грудня 2022. 
7. Cross, Deanna; Burmester, James K. (2006-9). Gene Therapy for Cancer Treatment: Past, Present and Future. Clinical Medicine and Research 4 (3). с. 218–227. ISSN 1539-4182. PMC 1570487. PMID 16988102. Процитовано 6 грудня 2022. 
8. Maeder, Morgan L; Gersbach, Charles A (2016-03). Genome-editing Technologies for Gene and Cell Therapy. Molecular Therapy 24 (3). с. 430–446. ISSN 1525-0016. PMC 4786923. PMID 26755333. doi:10.1038/mt.2016.10. Процитовано 6 грудня 2022. 
9. Ledford, Heidi (2015). Cancer-fighting viruses win approval. Nature 526 (7575): 622–623. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/526622a. 
10. Lu, Yuancheng; Brommer, Benedikt; Tian, Xiao; Krishnan, Anitha; Meer, Margarita; Wang, Chen; Vera, Daniel L.; Zeng, Qiurui та ін. (2020-12). Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision. Nature (англ.) 588 (7836). с. 124–129. ISSN 1476-4687. doi:10.1038/s41586-020-2975-4. Процитовано 7 грудня 2022.  рекомендується |displayauthors= (довідка)
11. Kromer, Michael (12 січня 2023). What The Market Overlooked in 2022: A Letter from Cathie Wood, ARK Founder, CEO, & CIO. ARK Invest (амер.). Процитовано 13 січня 2023. 

Джерела

• ГЕНЕТИЧНА ІНЖЕНЕРІЯ [ 10 березня 2016 у Wayback Machine.] //Фармацевтична енциклопедія
• ГЕНЕТИЧНА ІНЖЕНЕРІЯ [ 23 травня 2020 у Wayback Machine.] //ЕСУ

Література

• Donnellan, Craig (2004). Genetic Modification (Issues). Independence Educational Publishers. ISBN 1-86168-288-3.
• Morgan, Sally (1 January 2009). Superfoods: Genetic Modification of Foods. Heinemann Library. ISBN 978-1-4329-2455-3.
• Smiley, Sophie (2005). Genetic Modification: Study Guide (Exploring the Issues). Independence Educational Publishers. ISBN 1-86168-307-3.
• James D., Watson (2007). Recombinant DNA: Genes and Genomes: A Short Course. San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 0-7167-2866-4.
• Weaver, Sean; Michael, Morris (2003). «An Annotated Bibliography of Scientific Publications on the Risks Associated with Genetic Modification». Wellington, N.Z.: Victoria University
• Zaid, A; Hughes, H.G.; Porceddu, E.; Nicholas, F. (2001). Glossary of Biotechnology for Food and Agriculture — A Revised and Augmented Edition of the Glossary of Biotechnology and Genetic Engineering. Rome, Italy: FAO. ISBN 92-5-104683-2.
• The Ultimate Guide To CRISPR: Mechanism, Applications, Methods & More
• Генетична інженерія [ 10 березня 2016 у Wayback Machine.]
• Глосарій термінів з хімії / уклад. Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Дон. : Вебер, 2008. — 738 с. — ISBN 978-966-335-206-0.