Генното инженерство позволява прекрачването на видовите бариери
Под термина генно инженерство се схваща методология за приемане и съчетание на ДНК молекули в клетъчна среда. Генното инженерство се занимава с добиване на гени от един организъм и преместването им в различен. За осъществяването на това вмешателство в генома на даден организъм е належащо да се преодолеят редица биологични бариери.
В нашето всекидневие все по-често се загатва терминът клониране.
Клонирането е прийом, употребен в генното инженерство, който бихме могли да разделим на два съществени типа:
Клониране на организми – асексуално възпроизводство на човеци, генетично идентични с организма, от който са били клонирани. Поради изключителната заплаха и нарушение на биоетичните правила, този вид клониране е строго неразрешен в по-голямата част от света. Механизмите, които са били употребявани за приемане на клонинги се базират на отстраняването на ядрото на яйцеклетката и преместването на ядро от соматична клетка на различен субект. Повечето създатели ползват електрически потрес върху получената клетка, в резултат на което тя стартира да се дели и образува зигота. Пример за подобен клонинг е международно известната овца Доли. На процедура клонирането на цели организми е съвсем неосъществим развой (базирано на знанията на биолозите към момента), заради обстоятелството, че някои от гените в пренесеното ядро към този момент са супресирани, защото те са кодирали артикули за ембриогенезата в организма. Веднъж „ изключени “ тези гени не се експресират, заради което голяма част от клонираните кафези умират още през първите часове от развиването си. Отклонения са описвани и в градежа на органите при пометнали плодове. Установява се, че голяма част от клетките в жизненоважни органи – черен дроб, бъбреци и други липсват или са с нетипичен градеж, заради което плодовете се помятат или умират малко след раждането. Клонирането на цели организми докара и до задаването на доста въпроси, свързани с биоетиката и развиването на човечеството като цяло.
Клониране на гени – преместване на гени от един организъм в различен, при което акцептора придобива нови свойства. Посредством клонирането на гени се основават по този начин известните в нашето всекидневие Генно модифицирани организми – ГМО.
По този метод са получени редица бактерии, в които са били пренесени гени кодиращи значими за индивида белтъчини. Пример за такива белтъчини е хормонът инсулин, чиито ген от десетилетия е пренесен в бактерията E. coli. Така бактериите синтезират този значим артикул за инсулинзависимите диабетно заболели хора. По този механизъм са получени и редица растения, които са придобили опцията да се развиват на по-студена или по-топла среда, резистентност към инсекти, бактерии, вируси, високи концентрации на тежки метали и други
Процесът на клониране на ДНК минава през три стадия:
Получаване на желания фрагмент от ДНК на организма донор;
Обединяване на таргетната секвенция с избран вектор;
Внасяне на вектора в акцепторната клетка.
Под клониране на ДНК се схваща процесът на интеграция на сектори от ДНК произхождащи от един организъм (донор) в ДНК верига принадлежаща на различен организъм (акцептор). Необходимо изискване за реализиране на ДНК клонирането е вярното включване на непознатите ДНК фрагменти в сектор от ДНК на акцептора, която има способността да се самовъзпроизвежда. Ако пренасяният откъс е вярно включен при всяка репликация на молекулата реципиент, то пренесеният сектор ще се съобщи на дъщерните вериги.
Пренасянето на даден ДНК откъс не е допустимо да бъде осъществено директно. Винаги се употребява избран медиатор – вектор. За преместването на фрагментите от една ДНК верига на друга значимо присъединяване вземат описаните нагоре рестрикционни ензими. Обикновено се употребяват един или два рестрикционни ензима, които изрязват желания участък от веригата донор. Знаейки нуклеотидната поредност на таргетният сектор (особено в неговите крайща), се сортира ензим който срязва по този начин веригата, че в двата и края да остане едноверижен сектор, построен от един или няколко нуклеотида. Тези едноверижни сектори се значат като лепливи краища на веригата. Обикновено същите ензими се употребяват за рестрикция и на дестинейшън веригата, като при нейното отрязване също остават лепливи крайща, комплементарни на крайщата на пренасяният откъс. При смесването на двете молекули по правилото на комплементарността едноверижните сектори се съединяват и построяват химични връзки по сред си. Така откъс от ДНК (съдържащ избран ген) от един организъм може да бъде трансфериран в генома на различен като вторият ще създава характерните за първия организъм белтъчини. Макар и рядко, се употребяват рестриктазни ензими, които срязват веригите жалко (без едноверижни краища). В такива случаи след смесването на изрязания фрагмент и акцепторната молекула в реакционната примес се прибавят характерни ензими, способни да съединяват тъпи краища, пише edu.uni-sz.bg.
За да се приключи процесът, е належащо получените фаги или плазмиди носители на рекомбинантна ДНК да бъдат интрудоцирани в клетката реципиент. Механизмите, които най-често се употребяват, са трансдукция или трансфекция. Така рекомбинантният плазмид попада в клетката реципиент и стартира да експресира както личната си генетична стратегия, по този начин и пренесеният откъс. Получената бактерийна популация се значи като клон, а методът на нейното приемане – молекулно клониране.
Една от най-трудните задания пред генно-инженерните способи е преместването на целия набор от регулиращи фрагменти за съответният ген – промотор, регулатор и терминатор. При транспорт само на кодиращата секвенция (без регулаторните области), генът не би могъл да се експресира. Всички разказани досега похвати се употребяват при трансгенозата в бактерии. Поради надалеч по-сложния строеж на ДНК при еукариотите клонирането на ДНК при тези организми е надалеч по-трудоемко.
Векторите които се употребяват при клонирането на ДНК, би трябвало да дават отговор на няколко условия:
Да могат да самореплицират всички включени в тях участъци;
Да съдържат характерни сектори, служещи за тяхното разпознаване;
Да сърържат характерен рестрикционен уебсайт (или няколко) позволяващи даден рестриктазен ензим да среже тяхната верига;
Да съдържат в себе си селективни маркерни гени (най постоянно за резистентност към антибиотици).
Видове вектори съгласно техния произход:
Плазмидни вектори – употребяват се при ДНК клониране в бактерии. Тези вектори съставляват генетично модифицирани плазмиди, съдържащи характерни нуклеотидни последователности, позволяващи елементарно консолидиране на непознати ДНК фрагменти. Почти постоянно те съдържат един или няколко рестрикционни уеб страницата, което разрешава избор сред няколко рестрикционни ензима според от ДНК фрагмента, който бихме желали да пренесем. Почти всички комерсиално публикувани вектори съдържат един или два гена за резистентност към избрани антибиотици, което ни разрешава да отдиферинцираме колониите носители на плазмида от свободните от него. В множеството случаи са дребни молекули, формирани от към 10 000 базови двойки невъзможни да се предават при конюгация. Липсата на конюгативна интензивност е от изключително значение за блокирането на предаването им от една на друга бактерия. Това им свойство има най-вече защитен темперамент, защото бактериите, в които те се откриват са и естествени жители на бозайническия организъм (E. coli). Така даже при изнасяне на такава бактерия отвън лабораторията тя не би могла да придвижи трансгенния плазмид.
Фагови вектори – нормално съставляват генетичномодифицирани варианти на фаг ламбда (λ). Харктерно за тях е, че при естествени условия, след инфектирането на бактериалната клетка, те инкорпорират своята ДНК молекула в тази на клетката. Така при реплицирането на бактериалната ДНК клетката реплицира и ДНК на фага. Модифицираните варианти употребявани в генното инженерство разрешават една част от тяхната ДНК да бъде сменена с непозната. Така при инфектирането на бактерията, наред с сектор от фаговия геном, се интегрира и определена непозната молекула. Фагите употребявани като вектори могат да придвижват молекули до 20 000 базови двойки, което дава опция за клониране на много огромни ДНК фрагменти.
Изкуствени вектори – космиди, BAC и YAC. В множеството случаи те са артикул на генното инженерство като една част от техният геном е формирана от хромозома на фаг ламбда, а друга е построена от плазмидна ДНК. Това, което ги отличава от предходните два типа е, че те могат да придвижват фрагменти от 50 000 до 300 000 базови двойки.
Изкуствени бактериални хромозоми – нормално това са вектори вградени в F фактора на бактериата. Те имат опцията да придвижват ДНК фрагменти до 1000 кило бази.
Видове приемни кафези:
Прокариотни кафези – най-често употребяваната бактерия при ДНК клонирането е E. coli. Тъй като бактерията е естествен жител на тънкочревният тракт на бозайниците се употребяват избрани варианти на бактерията не способни да се развиват при естествени условия на средата. Ако оптималната температура за една бактерия, естествен жител на бозайническият стомашно-чревен тракт е 37°С, то бактериите употребявани при ДНК клонирането се развиват при 28°С.
Клетки на нисши еукариоти – нормално се употребяват приемни кафези на дрожди. Техният геном е относително огромен, което дава опция за клонирането на фрагменти с величина до 1000 кило бази.
Растителни кафези – при ДНК клонирането в растителни кафези най-често се употребява векторът Agrobacterium tumеfaciens. Характерно за този бактериален тип е, че провокира развиването на тумори в инфектираните кафези. Тумор индуциращият резултат се дължи на характерен плазмид в бактерията (Ti плазмид). След инфектирането на еукариотната клетка избран сектор от този плазмид се интегрира в генома на еукариота и я принуждава да синтезира характерни белтъчини. Векторите, които се употребяват в генното инженерство са модифицирани и израстък индуциращият фактор е отхвърлен. На негово място е построен рестрикционен уебсайт, който разрешава консолидираното на непознат ДНК откъс. Така след инфектирането на клетката в нейният геном се трансферира непознатият ген импортиран при лабораторни условия.
Бозайнически кафези – най-често трансгенозата при тях се прави чрез процеса ендоцитоза. Първоначално характерните ДНК фрагменти се трансферират в изкуствени липозоми, чиито фосфолипидни мембрани в следствие се сливат с клетъчните мембрани на бозайническите кафези. Така чуждовидовата ДНК молекула се трансферира в бозайническата клетка. Инкорпорирането на ДНК откъс в бозайническите кафези може да се извърши и чрез вектори основани на ретровируси. Тези вируси употребяват за матрица иРНК от която синтезират двойноверижна ДНК молекула. В следствие тази молекула се интегрира в еукариотният геном и се реплицира при всяко разделяне на клетката. Друг способ за преместване на ДНК фрагменти в клетките на бозайници е чрез основаването на изкуствени хромозоми (YAC), в които се интегрират мечтаните чуждовидови ДНК вериги.
Перспективи пред генното инженерство
Генното инженерство е едно от най-иновативните открития на човечеството. То дава нова посока за развиване на гентиката, молекулярната биология и не на последно място - биоетиката. Рекомбинантните ДНК технологии се трансфораха в необятно употребен прийом за произвеждане на разнообразни протеини нужни на индивида, включително хормоните соматотропин, инсулин, интерферон и други
Най-нови опити демонстрират опция за конструиране на генетично модифицирани микроорганизми (E. coli), способни да разграждат разнообразни замърсители в природата, да усвояват азота от атмосферата и други
Генетичното модифициране на растенията ни разрешава да сътворяваме растения устойчиви на засушаване, заледяване, инсекти, вируси, бактерии и други Навлизането на тези похвати в селското стопанство спомагат за понижаване потреблението на разнообразни инсектициди, пестициди и други с потвърден отровен и мутагенен резултат върху индивида.
Генното инженерство разрешава прекрачването на видовите бариери и рекомбинирането на генетичната информация сред типовете. Експериментално е показана трансгеноза сред риба и домат, като ген придаващ резистентност към заледяване от риба бил трансфериран в домат. Полученото растение придобива резистентност към заледяване, което го прави приспособимо в климатични пояси, при които преди този момент не е могло да бъде отглеждано. Не на последно място би трябвало да споменем и вероятностите, които генното инженерство ни дава в битката с инфекциозните и наследствените болести по хората и животните.
Проект „ Развитие на център за електронни форми на отдалечено обучение в Тракийски университет “ BG051PO001-4.3.04-0026
