Основы генетической инженерии растений

Существует много определений генетической инженерии. На взгляд авторов, суть этой новой технологии можно выразить следующим образом. Генетическая инженерия – это технология получения новых комбинаций генетического материала путем проводимых вне клетки манипуляций с молекулами нуклеиновых кислот и переноса созданных конструкций генов в живой организм, в результате которого достигается их включение и активность в этом организме и у его потомства.

Исходя из этого определения, процесс создания генетически-модифицированных организмов (далее ГМО) можно разделить на несколько этапов. Первый этап включает выделение и идентификацию отдельных генов (соответствующих фрагментов ДНК или РНК), которые собираются перенести другим организмам, а также соответствующих регуляторных элементов. Иногда гены, или их части синтезируют искусственно. Затем эти гены и регуляторные элементы соединяют между собой в определенном порядке с помощью чисто химических методов (технология рекомбинантных ДНК, или генная инженерия). Все названные манипуляции проводят вне организма, in vitro. В результате получается генетическая конструкция, которая содержит один или несколько генов (точнее, фрагментов ДНК, которые кодируют последовательность аминокислот протеинов – продуктов генов), а также все необходимые регуляторные элементы, обеспечивающие активность этих генов (трансгенов) после их переноса в организмы.

Технологию получения рекомбинантных молекул ДНК по праву считают центральным звеном генетической инженерии. Можно сказать, что годом рождения генетической инженерии является 1972 г., когда появились первые публикации сотрудников лаборатории П. Берга (США). В них сообщалось о получении кольцевой молекулы ДНК вируса SV40 путем последовательного ее разрезания рестриктазой RI и сшивания ДНК лигазой [Mertz, Davis, 1972], а также возможности с помощью этих ферментов встраивать в такую молекулу гены других организмов: фага-λ и галактозный оперон бактерии E. coli [Jackson, Symons, Berg, 1972]. В 1980 г. П. Берг за эти работы был удостоен Нобелевской премии в области химии.

Следующий этап создания ГМО – перенос трансгенов в отдельные живые клетки (процесс трансформации, или, как принято его называть в последнее время, - «генетической модификации»), где они могут реплицироваться и передаваться дочерним клеткам, образовавшимся при делении трансформированных клеток. Для этого полученные in vitro генетические конструкции соединяют с ДНК так называемого вектора, в качестве которого чаще всего используют плазмиды.

Для одноклеточных организмов процесс генетической модификации заканчивается, как правило, внедрением в них рекомбинантной плазмиды и последующим отбором трансформированных клеток. Лишь в отдельных случаях для более высокой стабильности трансформантов добиваются включения трансгенов в бактериальную хромосому. В случае же высших многоклеточных организмов встраивание трансгенов в генетический материал клетки (ДНК хромосом или клеточных органелл – хлоропластов, митохондрий) является обязательным. Основной метод переноса трансгенов в геном растений – агробактериальная трансформация, природный механизм горизонтального переноса генов, приспособленный для нужд генетической инженерии.

Благодаря свойству тотипотентности из трансформированных растительных клеток после отбора на селективных средах (в генетических конструкциях помимо целевого гена, как правило, также имеется селективный ген) можно восстановить целый организм. Биосинтез новых для организма протеинов, которые кодируются привнесенными генами, является основой для проявления у него нового селекционного признака, например, толерантности к гербицидам, антибиотикам, устойчивости к насекомым-вредителям и т.д.

Рассмотрим подробнее, каким образом осуществляют перечисленные манипуляции.