Промышленная генная инженерия

Несмотря на то, что человечество занимается биотехнологией микроорганизмов, осознанно или нет, уже несколько тысячелетий, современная мощная технология, связанная с переносом генов, возникла не так давно - примерно с середины 70-х годов. Началом промышленной генной инженерии принято считать 1980 год, когда в США был выдан первый патент на генно-инженерный штамм микроорганизма-биодеструктора, способного разлагать нефть.

Генетическая инженерия не только открыла возможности для конструирования генов, но и легла в основу новых высокоэффективных альтернативных технологий получения биологически активных соединений (гормонов, регуляторных пептидов, интерферонов и многих других). Многие из этих соединений содержатся в биологических объектах в ничтожных количествах и их препаративное выделение традиционными биохимическими методами оказывается слишком трудоёмким, а иногда и невозможным. Методы генетической инженерии позволяют преодолеть эти

трудности путем амплификации соответствующих генов, их клонирования и экспрессии в клетках бактерий, дрожжей и, таким образом, добиться получения значительных количеств физиологически активных молекул, пригодных для практического использования в качестве медицинских препаратов, пищевых продуктов и т.д.

Одним из первых методами генетической инженерии был получен гормон роста человека - соматотропный гормон. В организме он синтезируется клетками гипофиза. Этот гормон состоит из 121 аминокислотного остатка, его молекулярная масса составляет 20 кДа. Было осуществлено клонирование гена, продуцирующего синтез соматотропного гормона человека, создан соответствующий вектор и последний был передан путем трансформации в клетки кишечной палочки, где осуществляются его интенсивная репликация, транскрипция и трансляция. Все это позволило получить необходимое количество гормона, который затем начали широко применять не только в медицинских целях, но и в животноводстве, повышая с его помощью интенсивность роста животных.

Особое значение для медицинской практики имеет генно-инженерный синтез инсулина, от недостатка которого, приводящего к диабету, страдает огромное количество людей. В норме инсулин синтезируется в достаточных количествах в поджелудочной железе. Для медицинских целей его можно выделить из животных (свиней, телят), однако некоторые люди испытывают аллергию к препаратам, полученным из животных, да и сами возможности выделения и очистки гормона не беспредельны.

В 1978 году в США путем химического синтеза были получены гены, кодирующие аминокислотные последовательности зрелого гормона, и далее осуществлено их клонирование в клетках кишечной палочки. В нашей стране синтез гена инсулина был завершен в 1983 году. Лекарственные препараты инсулина человека, полученные методами генной инженерии, впервые поступили в продажу в Англии. Инсулин стал первым препаратом для

лечебной практики, созданным с помощью технологии рекомбинантных ДНК.

Бурное развитие этих работ привело к возникновению генно-инженерной эндокринологии, в результате чего было осуществлено клонирование генов гормона роста, кортикотропина и соматокринина. Ведение этих генов генетический аппарат мышей позволяет регулировать рост животных. Таким образом открываются перспективы генотерапии -исправления наследственных дефектов путем введения в геном полноценных генов.

Большие успехи достигнуты в области получения методами генетической инженерии биологически активных пептидов. Так, в нашей стране созданы штаммы кишечной палочки, синтезирующие нейропептид лейэнкефалин, а также пептидные гормоны брадикинин и ангиотензин.

Значительное место в практическом использовании методов генетической инженерии занимает синтез интерферона. В 1957 году Исааке и Линдерманн обнаружили, что клетки животных, подвергающиеся воздействию вирусов, выделяют в среду фактор, который способен придавать свежим (не зараженным) клеткам устойчивость к вирусной инфекции. Этот фактор, препятствующий размножению вирусов в клетке, был назван интерфероном.

Интерфероны представляют собой небольшие по размеру белки, состоящие из 146-166 аминокислотных остатков. Они представляют высокую ценность для лечения целого ряда заболеваний: вирусного и хронического гепатитов, рассеянного склероза, миеломы, остеосаркомы. Есть указания на положительный эффект применения интерферонов для лечения рака легких, мозга и гортани.

В ряде стран, в том числе и у нас, были осуществлены работы по клонированию гена интерферона человека в клетках кишечной палочки. Физико-химические и терапевтические свойства интерферона, выделенного из бактерий, оказались близки к свойствам интерферона, полученного из

крови доноров. Далее удалось получить такие штаммы бактерий, из 1 литра бактериальной суспензии которых можно выделить 5 мг интерферона (т.е. в 5000 раз больше, чем из 1 литра крови человека). Это позволило наладить в ряде стран, включая Россию, промышленное производство генно-инженерного интерферона.

Ниже приведены лишь некоторые белки человека, полученные генно-инженерными методами:

Белок Применение в медицине

Адренокортикотропный гормон Ревматизм

Гемоглобин Анемия

Гормон роста Задержка роста

Инсулин Сахарный диабет

Интерлейкины Злокачественные новообразования

Интерфероны Вирусные заболевания

Лимфотоксин Злокачественные новообразования

Урокиназа Тромбообразования

Фактор, активирующий макрофаги Злокачественные новообразования

Фактор некроза опухоли Злокачественные новообразования

Фактор роста нервов Повреждения нервной ткани

Эритпоэтин Анемия, заболевания почек

Плоды успехов в области генно-инженерной биотехнологии пожинают в основном США, на долю которых приходится около 63% производства всех генно-инженерных медицинских препаратов, в странах Западной Европы - 25%, в Японии - 7%, во всех остальных странах, включая Россию - 5%.

9. Вопросы для подготовки к экзамену по курсу «Генетика микроорганизмов»

1. Предмет генетики микроорганизмов, её связь с другими биологическими науками.

2. Преимущества микроорганизмов как объектов генетического анализа.

3. Строение вирусных частиц. Жизненный цикл вирусов. Геном вирусов.

4. Механизмы репликации РНК-содержащих вирусов.

5. Механизмы репликации ДНК-содержащих вирусов.

6. Бактериофаги.

7. Типы взаимодействия вируса с клеткой-хозяином.

8. Гибридизация вирусов. Значение вирусов для эволюции организмов.

9. Структура бактериальной хромосомы.

10. Открытые рамки считывания. Минимальный размер генома прока-риот.

11. Оперонная организация генов прокариот.

12. Структура и репликация бактериальных плазмид.

13. Генетическая организация плазмид. Типы плазмид (К-плазмиды, плазмиды патогенности, плазмиды токсигенности).

14. Поверхностное исключение и несовместимость плазмид.

15 Трансформация, общая характеристика явления.

16 Стадии трансформации.

17 Трансфекция.

18. Общая (неспецифическая) трансдукция.

19. Специфическая (ограниченная) трансдукция.

20. Абортивная трансдукция.

21. Конъюгация (половые типы бактерий, Р-фактор).

22. Механизм конъюгации у грамотрицательных бактерий.

23. Конъюгация у грамположительных бактерий.

24. Транспозирующиеся элементы бактерий (общая характеристика). 25.18-элементы.

26. Транспозоны.

27. Конъюгагивные транспозоны.

28.18-элементы и транспозоны в плазмидах.

29. Значение транспозирующихся генетических элементов для эволюции микроорганизмов.

30. Принципы генетической инженерии.

31. Промышленная генная инженерия.