Медицинская биотехнология и генная инженерия

Биотехнология — прикладное научное направление, занимающееся созданием биологических продуктов с использованием методов генной инженерии.

Быстрое развитие биотехнология получила во второй половине ХХ века, благодаря развитию науки и экономической целесообразности: с помощью микроорганизмов многие вещества получать в тысячи раз дешевле, чем синтезировать химически.

В настоящее время с помощью генно-инженерных методов получают диагностические, лечебные и профилактические препараты, в т. ч. вакцины, антигены, диагностикумы, гормоны (инсулин), антибиотики, иммуномодуляторы, интерфероны, цитокины, моноклональные антитела.

Генная инженерия — направление биотехнологии, позволяющее целенаправленно изменять наследственный материал живых существ.

Открытие, лежащее в основе методов генной инженерии, было сделано В. Арбером в конце 50–х — начале 60–х годов XX в. Он установил, что бактерии пытаются защитить себя от действия бактериофагов: с помощью ферментов-рестриктаз они разрезают ДНК вирусов, проникших в бактерию, на фрагменты и делают вирус неактивным. Десять лет спустя Г. Боуэр показал, что действие рестриктаз высоко специфично: они разрезают ДНК в строго определенных местах по одним и тем же основаниям, причем место фрагментации одной цепи смещено по отношению к другой на 4 пары оснований. При этом неровном разрезе возникают два выступающих конца, которые притягиваются друг к другу благодаря наличию водородных мостиков. Поэтому их называют «липкими» концами. Другой фермент — ДНК–лигаза — может, расходуя АТФ, легко вновь соединить липкие концы.

Если с помощью рестриктаз вырезать фрагменты ДНК из разных организмов, то они будут иметь подходящие друг к другу липкие концы, которые в присутствии ДНК–лигазы можно легко соединить. В результате образуются гибридные молекулы из ДНК различных организмов. Таким образом, чужеродная наследственная информация «встраивается» в исходную ДНК.

В качестве векторов для переноса генов в генной инженерии используют плазмиды и бактериофаги.

Метод клонирования заключается в том, что выделенный ген вводится в состав вектора.

Вектор затем трансфецируется в быстро размножающуюся, неприхотливую бактерию-хозяина для репликации. Поскольку бактерии делятся очень быстро, то введенная чужеродная ДНК быстро удваивается, т. е. происходит ее клонирование. Путем клонирования любой фрагмент ДНК может быть размножен в бактериях в миллиарды раз, а потом с помощью рестриктаз снова выделен. Так была найдена возможность получения нужных фрагментов ДНК в больших количествах и возможность получения определенных генов, которые, будучи встроенными в микроорганизмы, направляют синтез новых белков (рис. 75).

Рис. 75. Клонирование ДНК

Цели генной инженерии:

– модификация естественных генов человека, животных, микроорганизмов (удаление генов вирулентности и получение аттенуированных вакцинных штаммов);

– синтез новых генов (перенос генов в геном других микроорганизмов) и изучение закономерности экспрессии генов;

– получение генно-инженерных продуктов и использование их в клинической практике.

Используемые технологии:

– создание трансгенных организмов с заданными свойствами. Основная проблема — неясность отдаленных последствий применения трансгенных организмов;

– гибридизация клеток и получение моноклональных антител, отличающихся высокой специфичностью действия. Сегодня моноклональные антитела широко используется в диагностических исследованиях (определение иммунофенотипа клеток), в перспективе предполагается их использование с лечебной целью;

– использование рекомбинантных микроорганизмов, продуцирующих гормоны (инсулин, продуцируемый E. coli), вакцины (HBs–антиген, продуцируемый дрожжами-сахаромицетами = вакцина против гепатита В), цитокины (рекомбинантный интерферон, продуцируемый E. coli).

Геномика

Геномика— наука о строении и функционировании генома, изучающая:

– хранение генетической информации (геном и отдельные гены на молекулярном, индивидуальном и популяционном уровнях);

– передачу генетической информации (механизмы экспрессии и регуляции генов, возможности переноса генов в другие системы);

– реализацию генетической информации в конкретные свойства и признаки организма;

– причины и механизмы изменения генетической информации на разных этапах развития организма, взаимосвязи между генами и их эволюцию;

– клонирование организмов и использование знаний в генно-инженерных целях;

– создание естественной классификации микроорганизмов (генеалогического древа) на основе генетических признаков;

– разработку высокоточных методов диагностики и идентификации микроорганизмов — определение плазмидного профиля, рестрикционный анализ, молекулярная гибридизация, ПЦР, секвенирование.

Направления геномики:

1. Структурная — изучает первичную структуру генома (секвенирование генома), границы генов и их организацию, структуру белков и других биомолекул клетки, организацию генома. Использует методы картирования, секвенирования, рентгенструктурного анализа, биоинформатики.

2. Функциональная — изучает функции генов и механизмы регуляции их активности, экспрессию генов при физиологических и патологических процессах. Использует методы биоинформатики, клонирования, направленного мутагенеза, ядерно-магнитного резонанса.

Биоинформатика — направление биологии, основанное на компьютерном анализе первичной, вторичной, третичной структуры молекул ДНК, молекул РНК и белков (т. е. их полных сиквенсов или сиквенсов их фрагментов). Для этого используются специальные компьютерные программы и информационные базы данных.

3. Эволюционная—проводитсравнительный анализ от признака к гену, использует эти знания в таксономических целях, выявляет родственные связи между организмами (рис. 76).

Рис. 76 . Способы представления генетических связей

при составлении генеалогического древа

Разделы геномики:

1. Транскриптомика—изучает транскриптомы — совокупность мРНК клетки и изменения в них в зависимости от среды и стадии развития.

2. Протеомика—изучает закономерности функционирования белков клетки в конкретный период ее развития, характер и последствия их биологических взаимодействий, роль в регуляторных и эффекторных процессах.

3. Метаболомика — изучает метаболиты и изменения в их составе в разные фазы жизненного цикла.