$begingroup$
Would I be able to genetically modify a plant at home? What equipment will be necessary? I think it might be a fun change from the ‘norm’ of regular hybridisation, to try some inter-family gene insertion, instead of staying within a genus. Are some plants easier to modify than others?
asked Jul 23, 2014 at 2:51
J. MusserJ. Musser
3,6776 gold badges37 silver badges74 bronze badges
$endgroup$
6
$begingroup$
Well, that depends on your home. 
I think it is not an easy process.
There are two main methods that are used to genetically modify plants:
Using the bacterium, Agrobacterium tumifaciens, as a vector for the DNA. Agrobacterium has the ability to infect plants and insert DNA into a plant’s genome. It causes crown gall tumours in natural infections. This method has mainly been used to modify broad leaved plants, such as sugar beet and oilseed rape, but is now also being applied to monocot species, such as maize and rice
Particle bombardment or biolistics where the DNA to be inserted is coated on minute gold particles and fired into plants cells. This approach is used for monocot plants such as maize and rice
Here I found simple step by step article, but lil bit old. may be there are new methods for this process.
How To Genetically Modify a Seed, Step By Step
answered Jul 23, 2014 at 4:26
I JI J
1,2261 gold badge10 silver badges15 bronze badges
$endgroup$
3
$begingroup$
Yes it is. The easiest plant to transform would be Arabidopsis, which can be transformed by agrobacterium using the floral dip method. The process would be as follows:
1. Design a gene sequence you wish to insert into the plant
2. Synthesize (or otherwise acquire the DNA)
3. Insert the DNA into your agrobacterium, at home you would use a cold snap transformation process described here: https://www.youtube.com/watch?v=PvkfIECvyqs This can be done at home using a dry ice bath.
4. Then use the floral dip method to insert the dna into the plant. This involves growing a plant to just the right age when it is flowering and dipping the Arabidopsis flowers into a solution of the agrobacterium.
5. Then grow the flowers to seed and grow the seeds on a suitable select able marker (which you designed into your DNA plasmid).
The specific experimental conditions needed to do all this are too long for this answer, but you can look them up online as all the procedures are standard.
Plants which result from this process would not be legal to release into the wild due to USDA regulations.
Engineering other plants, depending on the species, can be more complex but could possibly also done at home. There are even designs online for an open source gene gun if you didn’t want to use agrobacterium.
answered Sep 18, 2014 at 6:19
$endgroup$
$begingroup$
genetic modification can be done with mutations. A mutation is a permanent change in the sequence of DNA. In order to obtain an observable effect, mutations must occur in gene exons, or regulatory elements. Changes in the non-coding regions of DNA (introns and junk DNA) generally do not affect function.
Mutations can be caused by:
- external (exogenous) factors, such as chemicals and radiation
or
- endogenous (native) factors
Mutations can be advantageous and lead to an evolutionary advantage of a certain genotype..this will be a solution for your plant modification..
A mutagen is a physical or chemical agent that changes the genetic material, usually DNA, of an organism and thus increases the frequency of mutations above the natural background level.
chemical mutagens:
- Bromine
- Sodium azide
- Psoralen
- Benzene
long term treatment plant with mutagens caused mutations some might be advantage
then select advantage ..
As many mutations cause cancer, mutagens are therefore also likely to be carcinogens!
mgkrebbs
8,7892 gold badges28 silver badges46 bronze badges
answered Sep 20, 2014 at 17:50
$endgroup$
$begingroup$
answered Jul 23, 2014 at 4:24
Devashish DasDevashish Das
5,1823 gold badges22 silver badges68 bronze badges
$endgroup$
8
$begingroup$
Not to forget that simple cross breeding your plants the Mendelian way also modifies their genetic make up, as @souvik bhattacharya indicates in his comment. No equipment necessary, no chemicals, no ethical issues.
answered Nov 12, 2014 at 2:06
AliceD♦AliceD
51.8k18 gold badges169 silver badges236 bronze badges
$endgroup$
3
$begingroup$
Would I be able to genetically modify a plant at home? What equipment will be necessary? I think it might be a fun change from the ‘norm’ of regular hybridisation, to try some inter-family gene insertion, instead of staying within a genus. Are some plants easier to modify than others?
asked Jul 23, 2014 at 2:51
J. MusserJ. Musser
3,6776 gold badges37 silver badges74 bronze badges
$endgroup$
6
$begingroup$
Well, that depends on your home. I think it is not an easy process.
There are two main methods that are used to genetically modify plants:
Using the bacterium, Agrobacterium tumifaciens, as a vector for the DNA. Agrobacterium has the ability to infect plants and insert DNA into a plant’s genome. It causes crown gall tumours in natural infections. This method has mainly been used to modify broad leaved plants, such as sugar beet and oilseed rape, but is now also being applied to monocot species, such as maize and rice
Particle bombardment or biolistics where the DNA to be inserted is coated on minute gold particles and fired into plants cells. This approach is used for monocot plants such as maize and rice
Here I found simple step by step article, but lil bit old. may be there are new methods for this process.
How To Genetically Modify a Seed, Step By Step
answered Jul 23, 2014 at 4:26
I JI J
1,2261 gold badge10 silver badges15 bronze badges
$endgroup$
3
$begingroup$
Yes it is. The easiest plant to transform would be Arabidopsis, which can be transformed by agrobacterium using the floral dip method. The process would be as follows:
1. Design a gene sequence you wish to insert into the plant
2. Synthesize (or otherwise acquire the DNA)
3. Insert the DNA into your agrobacterium, at home you would use a cold snap transformation process described here: https://www.youtube.com/watch?v=PvkfIECvyqs This can be done at home using a dry ice bath.
4. Then use the floral dip method to insert the dna into the plant. This involves growing a plant to just the right age when it is flowering and dipping the Arabidopsis flowers into a solution of the agrobacterium.
5. Then grow the flowers to seed and grow the seeds on a suitable select able marker (which you designed into your DNA plasmid).
The specific experimental conditions needed to do all this are too long for this answer, but you can look them up online as all the procedures are standard.
Plants which result from this process would not be legal to release into the wild due to USDA regulations.
Engineering other plants, depending on the species, can be more complex but could possibly also done at home. There are even designs online for an open source gene gun if you didn’t want to use agrobacterium.
answered Sep 18, 2014 at 6:19
$endgroup$
$begingroup$
genetic modification can be done with mutations. A mutation is a permanent change in the sequence of DNA. In order to obtain an observable effect, mutations must occur in gene exons, or regulatory elements. Changes in the non-coding regions of DNA (introns and junk DNA) generally do not affect function.
Mutations can be caused by:
- external (exogenous) factors, such as chemicals and radiation
or
- endogenous (native) factors
Mutations can be advantageous and lead to an evolutionary advantage of a certain genotype..this will be a solution for your plant modification..
A mutagen is a physical or chemical agent that changes the genetic material, usually DNA, of an organism and thus increases the frequency of mutations above the natural background level.
chemical mutagens:
- Bromine
- Sodium azide
- Psoralen
- Benzene
long term treatment plant with mutagens caused mutations some might be advantage
then select advantage ..
As many mutations cause cancer, mutagens are therefore also likely to be carcinogens!
mgkrebbs
8,7892 gold badges28 silver badges46 bronze badges
answered Sep 20, 2014 at 17:50
$endgroup$
$begingroup$
answered Jul 23, 2014 at 4:24
Devashish DasDevashish Das
5,1823 gold badges22 silver badges68 bronze badges
$endgroup$
8
$begingroup$
Not to forget that simple cross breeding your plants the Mendelian way also modifies their genetic make up, as @souvik bhattacharya indicates in his comment. No equipment necessary, no chemicals, no ethical issues.
answered Nov 12, 2014 at 2:06
AliceD♦AliceD
51.8k18 gold badges169 silver badges236 bronze badges
$endgroup$
3
Трансформация генов или семь способов создать химеру
Время прочтения
9 мин
Просмотры 5.6K
Автор сообщества Фанерозой, биотехнолог, Людмила Хигерович.
Продолжаем знакомить вас с тонкостями работы биотехнологов. Готовы поспорить, что каждый из чтецов этого текста слышал о генно-модифицированных организмах, сокращенно ГМО. Кто-то их боится, кто-то считает их спасением от глобальных проблем человечества, кому-то абсолютно все равно.
Однако мы готовы поспорить, что большая часть читателей даже не представляет, как на практике создают этих самых ГМО или, как их правильнее называть в среде ученых, трансгенных организмов и генетических химер.
Справка
Химера или химерный организм — организм, несущий в себе генетический материал, принадлежащий двум и более видам живых существ. Химерой может быть как многоклеточный организм, так и одноклеточный. Кроме того, различают химер по тому, насколько и в каком качестве присутствует чужеродный геном: заимствована ли часть генов, встроены ли они в хромосому реципиента, или же оба генома сохранены полностью, но располагаются в разных клетках. Впрочем, это тема для отдельного поста.
Итак, чтобы создать генетически модифицированный организм, надо изменить его геном. В научной среде изменение генома называется трансформацией.
Трансформация генов – это изменение генетического состава клеток путем привнесения извне чужеродного генетического материала, перенос чужеродных (природных или искусственно созданных) донорских генов в клетки-реципиенты растений, животных и микроорганизмов, и получение таким образом трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками.
Секундное отступление. Трансформация — не изобретение человека. Бактерии умели передавать друг другу ДНК, захватывать чужую и встраивать ее в свой геном еще задолго даже до появления вирусов. Более того, эти свойства не утрачены даже у более развитых организмов. И, что еще более интересно, природная трансформация, также известная как горизонтальный перенос генов, играет огромную роль в эволюционных механизмах. Но это весьма обширная тема.
Стоит отметить, что трансформация имеет свои особенности для растений и животных. Растительные клетки из-за плотной клеточной стенки поверх мембраны неспособны самостоятельно поглощать фрагменты чужеродной ДНК и воспроизводить их, тогда как клетки животных могут различными способами поглощать фрагменты ДНК, встраивая их в свой геном, или поддерживать их воспроизведение в цитоплазме.
Исходя из этого учеными было разработано два основных метода генетической трансформации растений и еще пять – для животных. Разумеется, на самом деле их гораздо больше, однако по большей части это модификации основных семи. Рассмотрим вкратце каждый из них.
Векторный
По сути является лабораторной адаптацией механизма, называемого трансдукцией — обмен генами у бактерий и некоторых простейших. Пожалуй, он так же заслуживает отдельной статьи, но постараемся кратко.
Вектор — трансформирующий фактор, основой которого является самостоятельный фрагмент ДНК, несущий все необходимое для синтеза РНК и белка. Обычно на основе ДНК или РНК вируса, плазмиды или космиды (свободные генетические элементы бактерий и простейших).
В промышленной и сельскохозяйственной биотехнологии обычно создают векторы с помощью Ti-плазмид бактерий, так как они небольшие по объему, и относительно устойчивые.
Как их создают? Из плазмид выделяют участки Т-ДНК (транспортной), ответственные за встраивание в молекулу ДНК клетки-мишени и создают векторные ДНК (векторы), способные переносить и встраивать нужные последовательности, включая части, кодирующие нужный признак и вещество, а также маркеры (репортерные гены — они нужны для проверки — встроился ли вектор в ДНК реципиента).
Модифицированные агробактерии (или освобожденные плазмиды) помещают в одну среду с растительными клетками-реципиентами, откуда с помощью антибиотиков удаляют нетрансформированные клетки.
К векторной трансформации также относят перенос ДНК с помощью ретровирусов. Векторный перенос можно осуществить только при отсутствии клеточной стенки (т.е. необходимо привести клетку-донор в состояние протопласта).
Трансформированные клетки помещают в питательную среду для культивации (образование каллуса), впоследствии регенерируя из них целое растение.
- Плюсы: адресность (можно сделать так, чтобы вектор встраивался только в определенные участки), возможность проконтролировать встраивание вектора и его сохранность в следующих поколениях клеток.
- Минусы: большая подготовительная работа по синтезу и созданию вектора и его размножению, опасность случайных встраиваний.
Биобаллистический (Генный пистолет)
Биобаллистический или метод «генного пистолета» – применяют в основном в отношении однодольных растений, нечувствительных к агробактериям.
Пожалуй, это самый фантастический способ трансформации. И самый страшный для людей, которые всерьез боятся стать жертвами генной модификации. Ведь его принцип действия полностью соответствует его названию. Да, именно так — это пистолет, стреляющий… генами.
В специальных установках микрочастицы золота или вольфрама с нанесенной на них ДНК ускоряют при помощи сжатого гелия, и они проникают в ДНК клеток-мишеней. Как вариант этого метода встречается магнетофекция – перенос с помощью намагниченных металлических частиц.
- Плюсы: мобильность (можно таскать с собой в поле) и массовость (обработка большого количества клеток разом или целого растения).
- Минусы: внесенная ДНК практически ничем не защищена и может быстро потерять активность, нельзя проконтролировать встраивание.
Векторный и биобаллистический методы универсальны и для растений, и для бактерий, и для животных. Теперь же переходим к методам, характерным для трансформации животных клеток. В принципе, их так же можно применить на растительных клетках, однако придется лишить их клеточной стенки, и знатно повозиться с подготовкой клетки.
Метод микроинъекций
Это самый простой способ внести ДНК в клетку. Вы часто видели его в научно-фантастических фильмах на тему утечки какого-нибудь патогена из секретной лаборатории.
Суть ее заключается во введении целевых генов непосредственно в ядро животной клетки при помощи микрокапиллярной пипетки. Под микроскопом в ядро клетки вводится 1 × 10^(−10)—1 × 10^(−12) л раствора трансформирующей ДНК (несколько тысяч копий генов).
- Плюс: главный плюс этого метода в том, что введенный ген сохраняется внутри клетки, а клеточные структуры почти не повреждаются.
- Минус: при делении клетки только одна из дочерних клеток наследует дополнительную ДНК
Электропорация
Впервые была разработана в лаборатории Е. Неймана в 1982 т. для введения чужеродных нуклеиновых кислот в эукариотические клетки.
В многочисленных опытах было показано, что обработка клеток животных электрическими импульсами с напряженностью поля 5-10 кВ/см в течение 5-10 мкс приводит к поглощению клетками молекул ДНК, находящихся в среде.
- Плюсы: простота использования (кладем клетки в ванну с электролитом, капаем ДНКу, врубаем ток, профит!).
- Минусы: плохая контролируемость встраивания, повреждения ДНК и клеточных мембран.
Липофекция
С чем-то подобным сталкиваются блюстители красоты, пользующиеся лосьонами с мицеллами и принимающие жирорастворимые витамины.
Липосомы (мицеллы, везикулы) — “пузырьки” из одного или двух слоев липидов, по свойствам схожих с естественной клеточной мембраной. В основном различают так: липосомы — двухслойные, содержат комплекс гликолипидов, мицеллы — однослойные, преимущественно липидные. Но это не точно:)
Липосомный (везикулярный) метод – пиноцитозное (захват раствора) поглощение метафазных хромосом, заключённых в синтетическую фосфолипидную оболочку (линохромосом или липоплекса). Изолированные метафазные хромосомы способны проникать в чужеродную клетку и функционировать в ней в течение некоторого времени.
Большая часть поглощенных хромосом деградирует, распадаясь на отдельные фрагменты, осуществляющие перенос содержащихся в них генов. Фрагменты могут существовать в свободном состоянии. Гены трансгенома функционируют наряду с другими своими хромосомными генами клетки. Такие популяции клеток называют нестабильными.
При постоянном действии генов трансгенома появляются стабильные популяции клеток (клоны) – когда сохранившийся фрагмент интегрируется с хромосомой клетки реципиента. Интеграция происходит не путем рекомбинаций через двойной кроссинговер, а через транслоцирование фрагментов на негомологичные участки генома реципиента.
Соматическая гибридизация
Слияние соматических клеток с объединением их геномов — образование гибридома. Производится электрическим, химическим и механическим путем. Частный случай гибридизации – использование микрокеток, иногда объединяют с липофекцией.
Введение с помощью микроклеток – клетки доноров обрабатываются таким образом, что часть хромосом или отдельные хромосомы оказываются заключенными в часть цитоплазмы. Слияние микроклетки донора с полноценной клеткой реципиента ведет к тому, что реципиент получает группу или отдельные хромосомы донора.
Это один из самых трудоемких методов создания трансформированных клеток. Однако он полностью оправдывает себя — так, например, производят антитела для лечения редких заболеваний, иммуноглобулины и создают из клеток больных раком пациентов индивидуальные лекарства.
Химическая преципитация
Метод несколько схож с генным пистолетом с той лишь разницей, что частицы ДНК не выстреливаются, а доставляются на соли.
Например, преципитация фосфатом кальция выглядит следующим образом. ДНК добавляют к смеси раствора СаСl2 и фосфатного буфера, ДНК адсорбируется на кристаллах фосфата кальция (Грэхем Ван дер Эб, 1973). Образуются частицы кальциевого преципитата. Они поглощаются клеткой путем фагоцитоза.
Основные методы трансформации закончились. Познакомимся с редкими, но все же встречающимися — некоторые из них весьма любопытны.
Органическая преципитация. Катионные полимеры
По сути, гибрид химической преципитации и фагоцитоза. В основном используют ДЕАЕ-декстран. Преципитация диэтиламиноэтил-декстраном (ДЕАЕ-декстраном) – использование положительно заряженных (катионных) водорастворимых полимеров, таких как ДЭАЭ-декстран, полиэтиленимин, поли-L-лизин или хитозан. Отрицательно заряженная ДНК связывает поликатионы, и образовавшийся положительно заряженный комплекс (полиплекс) взаимодействует с отрицательно заряженной мембраной клетки, что приводит к проникновению ДНК в клетку-мишень путем эндоцитоза. Метод считается малоэффективным из-за сложности с синтезом комплекса и слабом контроле доставки ДНК в ядро.
Фототрансфекция
Перенос фрагментов ДНК через поры, образованные в результате сверхкороткого облучения лазером. По сути, та же электропорация, только вместо тока — свет определенной длины волны.
Трансдукция
Вариация векторного метода для животных клеток. Имеет ряд отличий, например, в качестве вектора применяется фрагмент вирусной ДНК (ретровирусы, ДНК-вирусы, ВИЧ), чаще всего заключенный в реконструированную вирусную оболочку для облегчения проникновения в клетку и обеспечения тканеспецифичности.
Есть и еще менее популярные методы, как, например, трансформация тепловым шоком. Однако она сама по себе не привносит ДНК извне, лишь изменяя структуру существующей ДНК за счет температурных повреждений. Либо тепловой шок может служить тем же фактором повреждения мембраны, что и электрошок, открывая путь для проникновения ДНК. Но в таком случае, по сути он ничем не отличается от вышеназванных.
Итак, мы рассмотрели основные методы создания химерной (трансформированной) клетки или популяции клеток. Несмотря на то, что их характеристика по большей части уместилась в паре строк, каждый из них сопряжен с колоссальными усилиями как при подготовке, так и при исполнении, и тем более при контроле результата. Последнее особенно важно, так как любая клетка имеет свои механизмы защиты.
Мало трансформировать геном, надо еще обеспечить его сохранность и устойчивость — в противном случае, клетка быстро избавится от чужеродного фрагмента, вырезав его или растворив в лизосоме.
Для чего это делают?
На самом деле, трансформированные организмы давно уже нас окружают и служат нам. Стоит только подумать над тем, что первые научные работы на эту тему (на тему трансформации у бактерий) датированы до 1962 года, т.е. до подтверждения структуры ДНК! А сами бактериальные химеры стали применять аж в 1980-х.
Выше мы уже упоминали, что с помощью гибридов изготовляют лекарства от рака и редких заболеваний. Также с помощью трансформированных клеток производят гормоны (человеческий инсулин, ген которого перенесли в кишечную палочку), иммуноглобулины, белки, витамины (витамин С с помощью той же кишечной палочки, фитогормоны для растений с помощью сенной палочки), ферменты для пищевой, текстильной, химической промышленности, биоудобрения и биопрепараты для борьбы с паразитами и вредителями, антибиотики и даже очищают сахар (хотя это совсем уж редкий случай).
Вот вы узнали еще немного о биотехнологии.
Всего хорошего и не болейте!
Источники
Биотехнология: учебник и практикум для вузов / под редакцией Н. В. Загоскиной, Л. В. Назаренко. — 3-е изд., испр. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2020. — 381 с.
Биотехнология / Т. Г. Волова. – Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 1999. – 252 с
Биотехнология. Принципы и применение / Под ред. И.Хиггенса.- М.: Мир, 1980
Чечина, О. Н. Общая биотехнология: учебное пособие для вузов / О. Н. Чечина. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2019. — 231 с.
Clough SJ, Bent AF. Floral dip: a simplified method for Agrobacterium-mediated transformation of Arabidopsis thaliana. Plant J. 1998 Dec;16(6):735-43.
Godfrey J, Leukam MJ, Smith SM. An update in treating transformed lymphoma. Best Pract Res Clin Haematol. 2018 Sep;31(3):251-261.
Alton, E. W. F. W., Armstrong, D. K., Ashby, D., Bayfield, K. J., Bilton, Diana, Bloomfield, E. V.,… Wolstenholme-Hogg, P. (2015). Repeated nebulisation of non-viral CFTR gene therapy in patients with cystic fibrosis: A randomised, double-blind, placebo-controlled, phase 2b trial. Lancet Respiratory Medicine, 3(9), 684-691.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). DNA tools and biotechnology. In Campbell biology (10th ed., pp. 408-435). San Francisco, CA: Pearson.
Transfection. Protocols and Applications Guide. Promega.
Ученые хотят изменить гены растений, чтобы спасти планету
17.07.2019,
обновлено 07.02.2022
Человечество уже достаточно давно может изменять генетический набор простейших микроорганизмов и растений. При этом ученые в ходе этого процесса могут получать от них необходимые свойства. Например, увеличение урожайности или воспроизводство веществ для нужд фармацевтической промышленности. Но недавно биологи из Института Солка (Калифорния) пошли дальше и предложили поменять генетический код растений для того, чтобы спасти Землю от загрязнения.
Содержание
- 1 Чем загрязнена наша планета?
- 2 Перейдем ли мы на экологически чистую энергию
- 3 Как растения очистят планету
- 4 Самый эффективный способ бороться с загрязнениями воздуха
Чем загрязнена наша планета?
Ни для кого не секрет, что современная промышленность в процессе производства выбрасывает в атмосферу десятки тонн отработанного углеводородного топлива (в основном в виде углекислого газа). Как передает редакция издания ScienceAlert, для того, чтобы все живое в ближайшие несколько сотен лет на нашей планете не погибло, сократить количество выбросов уже недостаточно. Мы давно перешагнули ту «критическую точку», когда можно было просто совершенствовать системы очистки отработанного топлива на фабриках и заводах.
Перейдем ли мы на экологически чистую энергию
Так как полного перехода на экологически чистую энергию в ближайшее время не предвидится, то нужно начать очищать атмосферу Земли от углеводородов. И именно для этого американские ученые предлагают слегка «изменить» растения.
Как растения очистят планету
Растения естественным образом захватывают углерод из окружающей среды и хранят его под землей в своих корневых системах. Исследователи из США предлагают «оптимизировать» некоторые виды растений для того, чтобы они собирали больше углеродных соединений из атмосферы. Дело в том, что в ходе своей работы, эксперты обнаружили ген EXOCYST70A3, отвечающий именно за развитие корневой системы.
Это интересно: Почему растения не болеют раком?
Например, в ходе генетической модификации обычного салата, ученым удалось добиться того, что корневая система увеличилась и углубилась в несколько раз. А это значит, что и количество запасаемого углекислого газа из атмосферы также увеличилось на порядок.
«Снижение уровня углекислого газа в атмосфере является одной из самых больших проблем нашего времени, и лично для меня очень важно работать над решением», — заявил один из авторов проекта по очистке атмосферы Вольфганг Буш. «Мы невероятно рады полученным результатам. Это лишь первый шаг на пути использования растений для очистки атмосферы Земли.»
Самый эффективный способ бороться с загрязнениями воздуха
Конечно, салат является довольно небольшим представителем земной флоры, но эксперименты ученых из США — лишь начало. Более крупные растения с обширной корневой системой в перспективе могут стать настоящими «природными фабриками» по удалению углеводородов из атмосферы нашей планеты.
Обсудить эту и другие новости вы можете в нашем чате в Телеграм.
Для отправки комментария вы должны или
Биологи из Института Солка (Калифорния) предложили поменять генетический код растений для того, чтобы спасти Землю от загрязнения, сообщает ScienceAlert.
Современная промышленность в процессе производства выбрасывает в атмосферу десятки тонн отработанного углеводородного топлива (в основном в виде углекислого газа). Для того, чтобы все живое в ближайшие несколько сотен лет на нашей планете не погибло, сократить количество выбросов уже недостаточно. Человек уже давно перешагнул ту критическую точку, когда можно было просто совершенствовать системы очистки отработанного топлива на фабриках и заводах.
Так как полного перехода на экологически чистую энергию в ближайшее время не предвидится, то нужно начать очищать атмосферу Земли от углеводородов. И именно для этого американские ученые предлагают слегка «изменить» растения, которые естественным образом захватывают углерод из окружающей среды и хранят его под землей в своих корневых системах. Американские исследователи предложили «оптимизировать» некоторые виды растений для того, чтобы они собирали больше углеродных соединений из атмосферы. В ходе своей научной работы эксперты обнаружили ген EXOCYST70A3, отвечающий именно за развитие корневой системы.
Например, в ходе генетической модификации обычного салата, ученым удалось добиться того, что корневая система увеличилась и углубилась в несколько раз. А это значит, что и количество запасаемого углекислого газа из атмосферы также увеличилось на порядок.
«Снижение уровня углекислого газа в атмосфере является одной из самых больших проблем нашего времени, и лично для меня очень важно работать над решением», — сообщил один из авторов проекта по очистке атмосферы Вольфганг Буш.
«Мы невероятно рады полученным результатам. Это лишь первый шаг на пути использования растений для очистки атмосферы Земли», — добавил он.
Конечно, салат является довольно небольшим представителем земной флоры, но эксперименты ученых из США — лишь начало. Более крупные растения с обширной корневой системой в перспективе могут стать настоящими «природными фабриками» по удалению углеводородов из атмосферы нашей планеты.
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Испокон веков люди пытаются улучшить урожаи сельскохозяйственных культур. Статья повествует о том, какими средствами пользовались селекционеры на протяжении развития растениеводства, а особое внимание уделяется одному из самых современных и многообещающих методов молекулярной генетики растений — цисгеномике. Пора узнать, чем отличаются трансгенные организмы от цисгенных!
От неосознанного отбора к направленной селекции и генетической модификации растений
С незапамятных времен люди стремились улучшить качество и свойства используемых растений. Для этого они выбирали лучшие плоды и самые крупные зерна, бессознательно изменяя растения в нужном направлении. С развитием генетики, открывшей законы наследственности и изменчивости, появилась возможность осознанно управлять передачей необходимых признаков. Экспериментаторы поняли, что методом простого отбора человек не может получить принципиально новых свойств у разводимых организмов, так как при отборе можно выделить только те генотипы, которые уже существуют в популяции. Поэтому для получения новых сортов растений стали применять гибридизацию — скрещивание организмов с желаемыми признаками. Несмотря на то, что этот метод используется уже более века, процесс создания новых сортов остается очень трудоемким и требует многих лет напряженной работы. Современное сельское хозяйство испытывает острую необходимость в новых сортах, отличающихся устойчивостью к воздействию биотических и абиотических факторов окружающей среды, высокой продуктивностью и продолжительными сроками хранения урожая. На сегодняшний день показано, что такими качествами обладают дикие предки культивируемых растений. Чтобы передать их «полезные» гены современным сортам, необходимо проведение межвидового скрещивания, которое технологически сложнее и возможно далеко не для всех культур в силу генетической несовместимости.
Выход из этой ситуации появился с развитием генетической инженерии, которая сделала возможным перенос генов из одного организма в другой.
Различные виды генетически модифицированных растений
Генетически модифицированный организм (ГМО) — организм, генотип которого был целенаправленно изменен при помощи методов генной инженерии *. Основными способами биотехнологического изменения генома растений являются: искусственный мутагенез (физический и химический), трансгенез — введение гена неродственного организма, интрагенез — введение гена самогό организма или его «выключение», а также цисгенез — введение гена близкородственного вида, с которым возможно природное скрещивание.
* — На биомолекуле можно найти и размышления о пользе/вреде ГМ-растений, и «рецептуру приготовления» ГМ-риса и даже стратегии создания растительных фабрик: «Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?» [1], «Готовим ГМ-рис вместе» [2], «Растения-биофабрики» [3]. — Ред.
В 1994 году появилось первое коммерческое генно-инженерное растение — томат Flavr Savr [1, 4]. Вслед за этим стали активно создаваться трансгенные растения, устойчивые к биотическим и абиотическим факторам среды. (Отметим, что трансгенным считают такой организм, в геном которого искусственно введен ген, который не может быть приобретен при естественном скрещивании.) Ученые нашли необходимые гены устойчивости в геномах бактерий и насекомых и перенесли их в растительные организмы [5]. Обывателю покажется, что это достаточно рискованно, потому что, на первый взгляд, в природе такого быть не может (хотя есть и исключения — например, почвенная бактерия Agrobacterium tumefaciens переносит свои гены в растительные клетки для получения необходимых метаболитов).
Другая проблема, с которой связано получение трансгенных растений, — это использование антибиотиков. Для того чтобы узнать, попал ли интересующий ученых ген в геном растительной клетки, необходим некий маркер (репортер), который отделит клетки с внедрившимся чужеродным геном от неудачных образцов. Такими репортерами и являются гены, кодирующие устойчивость к антибиотикам. Клетки, подвергшиеся изменениям, высаживают на среду с антибиотиком, и, если они остались живы, значит, ген устойчивости проник в их геном, а с ним — и наш целевой ген. Несмотря на то, что трансгенные растения являются мощным фактором развития сельского хозяйства и экономики, возможность их использования провоцирует широкое общественное обсуждение.
Принимая во внимание всеобщую обеспокоенность биологической безопасностью трансгенных продуктов питания, в настоящее время активно разрабатывается новый подход для модификации сортов растений — цисгенез [5–7].
Применение геномного секвенирования сельскохозяйственно-значимых культур, таких как кукуруза, картофель, рис, и разработка эффективных технологий выделения новых генов расширили границы возможностей улучшения сельскохозяйственных культур. В последние десятилетия описан широкий круг генов, кодирующих важные качественные и количественные признаки как самих сельскохозяйственных культур, так и их дикорастущих родственников. Эти гены выделены и перенесены в геномы элитных сортов. Полученные в результате таких манипуляций растения называют цисгенными, чтобы отделить их от понятия трансгенов [5].
Цисгенез — такая технология генетической модификации рекомбинантной ДНК, при которой манипуляция происходит с использованием ДНК того же или близкородственного вида растения, с которым возможен половой процесс [8]. В отличие от трансгенных, такие растения не содержат гены неродственных организмов и гены устойчивости к антибиотикам (рис. 1). Это дает возможность ожидать, что общество с большей легкостью воспримет цисгенные растения, нежели трансгенные. Так, опрос в штате Миссисипи показал, что 81% респондентов готов употреблять в пищу цисгенные растения, в то время как лишь 14-23% согласны на трансгенные [5].
| Трансгенез | Цисгенез | Интрагенез |
|---|---|---|
|
|
|
Рисунок 1. Изменение генома при классической селекции, трансгенезе и цисгенезе.
Цисгенез = классическая селекция?
Современное состояние вопроса о повышении качества и урожайности сельскохозяйственных растений можно объяснить на примере такой стратегически важной культуры, как картофель.
Представим себе, что у нас есть элитный сорт картофеля, который дает прекрасный — качественный и обильный — урожай, но подвержен инфекционным заболеваниям. А еще нам известно, что есть вид дикого картофеля, который не дает никакого съедобного урожая, но при этом устойчив к болезням. Первым делом мы пытаемся выяснить, что в геноме дикого вида определяет его устойчивость (см. врезку). Возможности современной молекулярной генетики и геномики растений позволяют нам найти тот ген, который отвечает за устойчивость, выделить его открытую рамку считывания и участок ДНК, контролирующий его экспрессию, вырезать их, клонировать и внедрить в геном нашего элитного сорта, не внося никаких кардинальных изменений ни в геном сорта, ни в нуклеотидную последовательность гена, которой мы оперируем. Таким образом, если наши манипуляции прошли успешно, мы получаем исходный элитный сорт картофеля, который так же дает прекрасные клубни, но при этом не подвержен заражению паразитами, и мы не теряем урожай.
На сегодняшний день цисгеномика является альтернативным подходом, а основным инструментом создания новых сортов растений остаются классические методы селекции. Для этого мы скрещиваем наш элитный сорт с диким видом картофеля, получаем гибрид, у которого половина генетического материала происходит от исходного элитного сорта, а половина — от дикого предка. Таким образом мы приобретаем устойчивый к паразитам гибрид. Заметим, что мы при этом теряем половину полезных генов, которые были у элитного сорта, и наш новый гибрид не дает такого обильного и вкусного урожая, который долго хранится и не боится холодов. Более того, помимо желаемого гена устойчивости от дикого предка наш гибрид получает еще тысячи ненужных (а возможно, и опасных) сцепленных с ним генов, продукты которых могут оказаться токсичными. Подобная ситуация нас не устраивает, и мы проводим так называемое «обратное насыщающее скрещивание»: пытаемся вернуть нашему гибриду «утерянные» гены элитной родительской формы. Для этого мы опять скрещиваем наш гибрид с элитным сортом, тем самым «разбавляя» его генόм. И так множество раз. Заметим, что после каждого скрещивания должно пройти достаточно времени, чтобы новый гибрид вырос и дал урожай. В результате процесс классической селекции обычно затягивается на десятки лет.
Если вы всё еще против генетически модифицированных растений, представим следующую ситуацию: у нас есть элитный сорт картофеля, единственным слабым местом которого является подверженность заболеваниям. Классическая селекция отнимает слишком много сил и времени и не дает надежного результата, а генетически модифицированные растения не внушают доверия. Даже в этой ситуации есть альтернатива! Химическая промышленность изобрела огромное количество разнообразных пестицидов, которые защитят наш картофель от болезней. Этот путь самый простой и самый опасный: загрязнение окружающей среды химическими реагентами может привести к катастрофическим последствиям (см. врезку).
| Метод | Принцип метода | Достоинства | Недостатки | |
|---|---|---|---|---|
| Классическая селекция | Гибридизация | Многократные скрещивания видов или сортов с интересующими селекционера признаками с дальнейшим искусственным отбором | Проверено временем, не вызывает опасений в обществе | Требует больших временных затрат (от трех до 15 лет) Скрещивание возможно не для всех растений |
| Искусственный мутагенез | Физическая (радиация) и химическая (супермутагены) обработка семян растений и самих растений с дальнейшим жестким отбором | Образование новых признаков и свойств | Требует больших временных затрат Низкая продуктивность, опасность для здоровья экспериментатора |
|
| ГМО | Трансгенез | Ген, определяющий хозяйственно важные признаки, переносится в геном изменяемого растения из бактерии, насекомого или другого неродственного организма | Существует большое разнообразие потенциально полезных генов, которые можно перенести в культурные растения | Вызывает опасения в обществе |
| Интрагенез | Улучшение свойств растения за счет внедрения в его геном дополнительной копии своего же гена (сверхэкспрессия) | Не используются чужеродные гены | Мало потенциально значимых генов в геноме самого растения, при этом многие признаки могут иметь полигенную природу | |
| Цисгенез | В геном элитного сорта переносится ген из близкородственного вида растения, с которым потенциально возможно скрещивание в природе | Результат метода абсолютно аналогичен классической селекционной работе, но при этом существенно экономит время и гарантирует отсутствие попадания в геном нежелательных сцепленных генов растения-донора | Круг интересных хозяйственно важных генов меньше по сравнению с трансгенными растениями | |
| Другие способы повышения продуктивности растений | Химические реагенты | Химические реагенты распыляются в большом количестве на поля и напрямую убивают вредителей растений (бактерий, грибы, сорняки и насекомых), тем самым повышая урожайность | Скорость | Наносится существенный вред окружающей среде, нарушается баланс в природе. Химические вещества накапливаются в растениях и продуктах питания, в результате попадая в организм потребителей |
| Биологические способы | Обработка тепличных растений
|
Безопасность | Высокая стоимость |
Итак, цисгенные растения, главной целью создания которых является перенесение генов устойчивости в коммерчески успешные сорта, экономят время селекционеров, не требуют применения пестицидов, не нарушают экосистему, затраты на их выращивание минимальны, а урожай максимальный. В 2012 году Европейское агентство по безопасности продуктов питания (EFSA) опубликовало доклад, в котором сравнивался потенциальный вред растительных продуктов, полученных различными способами. В результате был сделан вывод о том, что риски, связанные с употреблением цисгенных растений и сортов, полученных методами классической селекции, сопоставимы [17].
Однако формально цисгенные растения подходят под определение генетически модифицированных организмов. В России правовое регулирование данной области базируется на Федеральном законе от 05.07.1996 № 86-ФЗ «О государственном регулировании в области генно-инженерной деятельности». В 2015 году правительство приняло законопроект об отказе от применения технологий генетической модификации при производстве продуктов питания. Если ситуация изменится, использование этой технологии приведет к бурному развитию сельского хозяйства.
- Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?;
- Готовим ГМ-рис вместе;
- Растения-биофабрики;
- Википедия: «Flavr Savr» (англ.);
- Telem R.S., Wani S.H., Singh N.B., Nandini R., Sadhukhan R., Bhattacharya S., Mandal N. (2013). Cisgenics — a sustainable approach for crop improvement. Curr. Genomics. 14, 468–476;
- Jacobsen E. and Schouten H.J. (2008). Cisgenesis, a new tool for traditional plant breeding, should be exempted from the regulation on genetically modified organisms in a step by step approach. Potato Research. 51, 75–88;
- Espinoza C., Schlechter R., Herrera D., Torres E., Serrano A., Medina C., Arce-Johnson P. (2013). Cisgenesis and intragenesis: new tools for improving crops. Biol. Res. 46, 323–331;
- Schouten H.J., Krens F.A., Jacobsen E. (2006). Cisgenic plants are similar to traditionally bred plants: international regulations for genetically modified organisms should be altered to exempt cisgenesis. EMBO Rep. 7, 750–753;
- Ellis J. and Jones D. (1998). Structure and function of proteins controlling strain-specific pathogen resistance in plants. Curr. Opin. Plant Biol. 1, 288–293;
- Яды — высокоточное оружие: компьютерное исследование природных нейротоксинов;
- Flor H.H. (1971). Current status of the gene-for — gene concept. Ann. Rev. Phytopathol. 9, 275–296;
- Шамрай С.Н. (2003). Гены устойчивости растений: молекулярная и генетическая организация, функции и эволюция. Журнал общей биологии. 64, 195–214;
- Чекалин Н.М. Генетические основы селекции зернобобовых культур на устойчивость к патогенам. Полтава: Iнтерграфiка, 2003. — 186 с.;
- Шорохов М.Н. Рынок средств защиты растений (СЗР) в мире и России. СПб: Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, 2003. — 25 с.;
- Куценко С.А. Основы токсикологии. М.: Фолиант, 2004. — 570 с.;
- Википедия: «Бхопальская катастрофа»;
- Andersson H.C., Arpaia S., Bartsch D., Casacuberta J., Davies H., du Jardin P. et al. (2012). Scientific opinion addressing the safety assessment of plants developed through cisgenesis and intragenesis. EFSA Journal. 10, 2561..
Современная генная инженерия позволяет «включать» и «выключать» отдельные гены, программируя новый генотип, в том числе, и человеческий. Это вызывает немало опасений, хотя многие открытия уже принесли человечеству пользу
Содержание:
- История развития
- Технологии генной инженерии
- Сферы применения генной инженерии
- Изменение ДНК человека
- Этическая сторона вопроса
Генная инженерия — это современное направление биотехнологии, объединяющее знания, приемы и методики из целого блока смежных наук — генетики, биологии, химии, вирусологии и так далее — чтобы получить новые наследственные свойства организмов.
Перестройка генотипов происходит путем внесения изменений в ДНК (макромолекулу, обеспечивающую хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) и РНК (одну из трех основных макромолекул, содержащихся в клетках всех живых организмов).
Если внести в растение, микроорганизм, организм животного или даже человека новые гены, можно наделить его новой желательной характеристикой, которой до этого он никогда не обладал. С этой целью сегодня генная инженерия используется во многих сферах. Например, на ее основе сформировалась отдельная отрасль фармацевтической промышленности, представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии.
История развития
Истоки
Основы классической генетики были заложены в середине XIX века благодаря экспериментам чешского-австрийского биолога Грегора Менделя. Открытые им на примере растений принципы передачи наследственных признаков от родительских организмов к их потомкам в 1865 году, к сожалению, не получили должного внимания у современников, и только в 1900 году Хуго де Фриз и другие европейские ученые независимо друг от друга «переоткрыли» законы наследственности.
Параллельно с этим шел процесс формирования знаний о ДНК. Так, в 1869 году швейцарский биолог Фридрих Мишер открыл факт существования макромолекулы, а в 1910 году американский биолог Томас Хант Морган обнаружил на основе характера наследования мутаций у дрозофил, что гены расположены линейно на хромосомах и образуют группы сцепления. В 1953 году было сделано важнейшее открытие — американец Джон Уотсон и британец Фрэнсис Крик установили молекулярную структуру ДНК.
На подъеме
К концу 1960-х годов генетика активно развивалась, а ее важными объектами стали вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов, а в 1970-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК.
Генная инженерия как отдельное направление исследовательской работы зародилась в США в 1972 году, когда в Стэнфордском университете ученые Пол Берг, Стэнли Норман Коэн, Герберт Бойер и их научная группа внедрили новый ген в бактерию кишечной палочки (E. coli), то есть создали первую рекомбинантную ДНК.
Техника ПЦР была впервые разработана в 1980-х годах американским биохимиком Кэри Маллисом. Будущий лауреат Нобелевской премии по химии (1993 года), обнаружил в специфический фермент — ДНК-полимеразу, который участвует в репликации ДНК. Этот фермент буквально считывает отрезки цепи нуклеотидов молекулы и использует их в качестве шаблона для последующего копирования генетической информации.
Новая эра
В 1996 году методом пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки на свет появилось первое клонированное млекопитающее — овца Долли. Это событие стало революционным в истории развития генной инженерии, потому что впервые стало возможным серьезно говорить о создании клонов и выращивании живых организмов на основе молекул.
Технологии генной инженерии
Генная инженерия за короткий срок оказала огромное влияние на развитие различных молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться на пути познания генетического аппарата.
Так, появилась технология CRISPR — инструмент редактирования генома. В 2014 году MIT Technology Review назвал его «самым большим биотехнологическим открытием века». Он основан на защитной системе бактерий, которые производят специальные ферменты, позволяющие им защищаться от вирусов.
«Каждый раз, когда бактерия убивает вирус, она разрезает остатки его генома, будь то ДНК или РНК, и сохраняет их внутри последовательности CRISPR, как в архив. Как только вирус атакует снова, бактерия использует информацию из «архива» и быстро производит защитные белки Cas9, в которых заключены фрагменты генома вируса. Если вдруг эти фрагменты совпадают с генетическим материалом нынешнего атакующего вируса, Cas9 как ножницами разрезает захватчика, и бактерия снова в безопасности», — поясняет Алевтина Федина, медицинский директор Checkme.
Уникальное открытие состоялось в 2011 году, когда биологи Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье обнаружили, что белок Cas9 можно обмануть. Если дать ему искусственную РНК, синтезированную в лаборатории, то он, найдя в «архиве» соответствие, нападет на нее. Таким образом, с помощью этого белка можно резать геном в нужном месте — и не просто резать, а еще и заменять другими генами.
Теоретически, технология CRISPR может позволить редактировать любую генетическую мутацию и излечивать заболевание, которое она вызывает. Но практические разработки CRISPR в качестве терапии еще только в начальной стадии, и многое еще непонятно.
Есть и другие методы генной инженерии, например, ZFN и TALEN.
- ZFN разрезает ДНК и вставляет туда заготовленный заранее новый фрагмент с помощью белков с ионами цинка (отсюда название — Zinc Finger Nuclease).
- TALEN делает то же самое, только используя TAL-белки. Для обеих технологий приходится создавать отдельные белки, а это очень долгая работа, поэтому пока два этих метода особого применения не нашли.
Где и как применяется генная инженерия
Медицина
Уже сейчас активно применяется инсулин человека (хумулин), полученный посредством рекомбинантных ДНК. Клонированные гены человеческого инсулина были введены в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали. С 1982 года компании США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин.
Кроме того, несколько сотен новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику. Среди лекарств, находящихся в стадии клинического изучения, препараты, потенциально лечащие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, онкологию и СПИД. Среди нескольких сотен генно-инженерных компаний 60% заняты именно разработкой и производством лекарственных и диагностических средств.
«В медицине среди достижений генной инженерии сегодня можно выделить терапию рака, а также другие фармакологические новинки — исследования стволовых клеток, новые антибиотики, прицельно бьющие по бактериям, лечение сахарного диабета. Правда, пока все это на стадии исследований, но результаты многообещающие», — говорит Алевтина Федина.
Сельское хозяйство
В сельском хозяйстве одна из важнейших задач генной инженерии — получение растений и животных, устойчивых к вирусам. В настоящее время уже есть виды, способные противостоять воздействию более десятка различных вирусных инфекций.
Еще одна задача связана с защитой растений от насекомых-вредителей. Путем генетической модификации растений можно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами. Например, трансгенные растения картофеля и томатов стали устойчивы к колорадскому жуку, растения хлопчатника — к разным насекомым, в том числе и к хлопковой совке.
Использование генной инженерии позволило сократить применение инсектицидов (препаратов для уничтожения насекомых) на 40–60%.
Благодаря генной инженерии зерновые культуры стали более устойчивы к климатическим условиям, кроме того появилась возможность увеличить количество витаминов и полезных веществ в продукте. Например, можно обогатить рис витамином «А» и выращивать его в тех регионах, где люди имеют массовую нехватку этого элемента.
С помощью генной инженерии пытаются решить и экологические проблемы. Так, уже созданы особые сорта растений с функцией очистки почвы. Они поглощают цинк, никель, кобальт и иные опасные вещества из загрязненных промышленными отходами почв.
Скотоводство
В Кемеровской области работа генетиков позволила получить устойчивое к вирусу лейкоза племенное поголовье высокопродуктивных животных. Для проведения эксперимента кузбасские ученые отобрали здоровых коров черно-пестрой породы массой до 500 кг. Животным трансплантировали модифицированные эмбрионы, устойчивые к вирусу лейкоза. В середине сентября 2020 года родилось 19 телят с измененными генами.
«В месячном возрасте была проведена оценка, которая показала, что телята отличаются от своих сверстников только устойчивостью к вирусу. Пять особей отобрали для дальнейшей селекционной работы. Это позволит закрепить наследственные признаки устойчивости к вирусу лейкоза у последующих поколений», — пояснила руководитель проекта, доктор биологических наук, профессор кафедры зоотехнии Кузбасской ГСХА Татьяна Зубова.
По словам Зубовой, лейкоз крупного рогатого скота — вирусная хронически неизлечимая болезнь, при которой возникают поражение кроветворной системы и новообразования. Данное заболевание наносит значительный ущерб генофонду пород и мясной промышленности в целом, потому что мясо зараженных животных запрещено употреблять в пищу. Единственным доступным методом борьбы с лейкозом ранее было только уничтожение зараженного скота.
Этот успех позволяет говорить о том, что в дальнейшем будет возможно редактировать гены крупного рогатого скота и от других болезней.
С прицелом на человека
В 2009 году группа ученых под руководством молодого исследователя Джея Нейтца из Вашингтонского университета сумели с помощью генной терапии вернуть обезьянам способность различать оттенки зеленого и красного, которой они были лишены от рождения.
В область сетчатки глаза двух подопытных обезьян был введен безвредный вирус, несущий недостающий ген фоточувствительного рецептора. Вскоре после процедуры обе обезьяны начали различать оттенки красного и зеленого на сером фоне. Два года наблюдения не выявили у них каких-либо нарушений, поэтому ученые не исключают, что данную методику уже вскоре можно будет применять у людей, страдающих дальтонизмом.
Ученые шагнули еще дальше и уже пробуют выращивать в теле животных органы для трансплантации людям. Для минимизации риска отторжения тканей животным вводят специальные гены. Этими опытами занимается научная лаборатория Рослинского института в Великобритании, которая представила миру овцу Долли.
В 2019 году британские ученые вывели кур, яйца которых содержат два вида человеческих белков, способных противодействовать артриту и некоторым видам онкологических заболеваний. В яйцах содержится человеческий белок под названием IFNalpha2a, обладающий мощными противовирусными и противораковыми свойствами, а также человеческий и свиной вариант белка под названием макрофаг-CSF, который планируют использовать для создания препарата, стимулирующего самостоятельное заживление поврежденных тканей.
Изменение ДНК человека
Первые клинические испытания методов генной терапии были предприняты 22 мая 1989 года с целью генетического маркирования опухоль-инфильтрующих лимфоцитов в случае прогрессирующей меланомы.
14 сентября 1990 года в Бетесде (США) четырехлетней девочке, страдающей наследственным иммунодефицитом, обусловленным мутацией в гене аденозиндезаминазы (АDA), были пересажены ее собственные лимфоциты.
Работающая копия гена ADA была введена в клетки крови с помощью модифицированного вируса, в результате чего клетки получили возможность самостоятельно производить необходимый белок. Через шесть месяцев количество белых клеток в организме девочки поднялось до нормального уровня.
После этого область генной терапии получила толчок к дальнейшему развитию. С 1990-х годов сотни лабораторий ведут исследования по использованию генной терапии для лечения различных заболеваний. Уже сегодня с помощью генной терапии можно лечить диабет, анемию и некоторые виды онкологии.
Генная терапия
Генная терапия — введение, удаление или изменение генетического материала, в частности ДНК или РНК, в клетке пациента для лечения определенного заболевания.
Существует три основных стратегии использования генной терапии:
- Замена мутировавшего гена, вызывающего заболевание, здоровой копией.
- Инактивация или «выбивание» мутировавших генов, которые функционируют неправильно.
- Введение нового гена в организм, помогающего бороться с болезнью.
Наиболее часто применяемый метод включает вставку «терапевтического» гена для замены «ненормального» или «вызывающего болезнь».
В 2015 году впервые была проведена процедура изменения ДНК человека с целью продления молодости клеток, когда американке Элизабет Пэрриш 44 лет ввели в организм препарат, влияющий на ДНК, а в 2018 году китайский ученый Хэ Цзянькуй заявил, что с его помощью у двух детей-близнецов якобы изменены гены для выработки у них иммунитета к вирусу ВИЧ, носителем которого являлся их отец.
Все это, с одной стороны, выглядит грандиозно и обнадеживает, но с другой, — вызывает опасения, ведь генетические манипуляции, теоретически, возможно использовать не только в благих и мирных целях.
После эксперимента с ДНК близнецов в Китае, ЮНЕСКО выступила с инициативой о запрете изменения генов у новорожденных до того момента, пока достоверно не будет доказана безопасность таких манипуляций.
Этическая сторона вопроса
В 1997 году ЮНЕСКО выпустила Всеобщую декларацию о геноме человека и его правах, рекомендовав мораторий на генетическое вмешательство в зародышевую линию человека, а в декабре 2015 года на международном саммите по геномному редактированию человека изменение гаметоцитов и эмбрионов для генерации наследственных изменений у людей было объявлено безответственным.
Российское сообщество генетиков в большинстве своем считает, что такие эксперименты на данный момент преждевременны и требуют более глубокого исследования и обсуждений.
«Вопрос клонирования уже давно стоит на горизонте. Этично ли выращивать клонов, чтобы потом забирать их органы для трансплантации человеку… Большой вопрос. Само собой, это абсолютно нормально, что нет единой точки зрения, ведь смысл подобных дискуссий как раз в том, чтобы найти правильные формулировки и отрегулировать потенциально спасительное, но при этом очень опасное знание», — говорит Алевтина Федина.
Страх неизвестности
Вариантов развития событий в области генной инженерии существует множество, и далеко не все они изучены и, в принципе, известны. Поэтому они должны быть последовательно зафиксированы и регламентированы.
Естественно, больше всего опасений вызывают плохие сценарии развития событий. Как правило, все начинается с помощи людям и изобретения новых лекарств. Но потом человек может прийти к желанию сделать своего ребенка светловолосым и зеленоглазым или создать армию универсальных солдат, не боящихся боли и не ведающих страха.
Олег Долгицкий, социальный философ, отмечает, что современное общество настолько неоднородно в культурном и экономическом плане, что любые методы, способные существенно изменить геном, могут создать условия не только для классового, но и видового расслоения, где представители «первого мира» смогут существенно продлевать свою жизнь и не бояться никаких болезней, в отличие от менее богатых людей. Это является серьезнейшей почвой для конфликтов и столкновений.
Эксперты убеждены, что генная инженерия — это будущее медицины. Возможность избавить младенца от пожизненного гнета заболевания, излечить людей от рака, найти лекарство против ВИЧ — за всем этим будет стоять генная инженерия. При этом желание человека изменить, например, цвет глаз или предотвратить наследственное заболевание, несмотря на все риски, будет только расти. И похоже, что остановить этот процесс уже не представляется возможным.