Генная инженерия

Отсчёт истории генетической инженерии растений принято вести с 1982 года, когда впервые были получены генетически трансформированные растения. Первоначально трансформация применялась для генноинженерных двудольных растений, однако работы последних лет свидетельствуют, что этот метод эффективен и в отношении кукурузы, риса, пшеницы [16].

Некоторые генетически обусловленные признаки — такие как инсектицидная активность, устойчивость к вирусным заболеваниям и гербицидам, замедление старения, устойчивость к неблагоприятным условиям окружающей среды, измененная окраска цветков, повышенная пищевая ценность семян и самонесовместимость — могут быть приобретены растением при введении в него одного или нескольких генов [17]. На сегодняшний день уже получены многочисленные трансгенные растения на основе как культурных, так и диких видов.  Так, например, с помощью таких подходов был получен картофель, устойчивый к колорадскому жуку. В настоящее время так называемый Bt – растения хлопка и кукурузы занимают основную долю в общем объеме генетически модифицированных растений этих культур, которые выращивают на полях США [18].

Большие надежды возлагаются на трансгенные растения, способные при очевидной низкой стоимости экспрессировать большие сложные антигены без потери иммуногенности и не имеющие протеинов, токсичных для человека [16].

Первым в растениях был экспрессирован белок Streptococus mutáns SpaA, вызывающий кариес. Протеин накапливался в растениях трансгенного табака в количестве до 0,02% от общего содержания белка [3].

Этот пример показал возможность синтеза в растениях больших белков — до 1500 аминокислот и возможно даже более тяжелых. Дальнейшие работы привели к успешной разработке растительной вакцины, эффективной сразу против трех кишечных патогенов — холеры, ротавируса и энтеротоксикогенной кишечной палочки [12].

Также трансгенные растения могут использоваться в качестве датчиков генотоксичности радиоактивно или химически загрязненных почв. Практическое значение нового метода состоит в возможности статистической оценки скорости мутаций для сравнительно небольшой выборки [3].

Тем не менее, полемика в отношении безопасности ГМР (генномодифицированных растений) для окружающей среды и пищи из генетически модифицированных источников (ГМИ) для здоровья человека приняла острый характер. Взгляды общества поляризовались. Если в Северной Америке новая технология успешно развивается, то в Европе сложилась другая ситуации [14].

Общественные дебаты в Западной Европе привели к неприятию продукции биотехнологии, но что характерно, не всей, а именно агробиотехнологии — генетически модифицированных растений, пищи и кормов. Главным аргументом, использованным общественными организациями «Гринпис», «Друзья земли» и т. д., являлась уверенность в прогнозируемом неблагоприятном воздействии ГМР на окружающую среду, что и вызвало боязнь европейцев с их традиционным «эко-сознанием» [19].

В результате, начиная с октября 1998 г., фактически был введен мораторий на широкомасштабное выращивание и размещение на рынке тех ГМО (ГМ организмов), которые не были еще зарегистрированы (до этого уже были разрешены 18 ГМР, включая масличный рапс, кукурузу, цикорий, гвоздику, и табак). Ситуация оставалась без изменений до конца 2002 г [17].

В 2002 г. ситуация начала изменилась: Европейская Комиссия приступила к разработке новой стратегической линии: «Науки о жизни и биотехнология — Стратегия для Европы», а в ноябре 2002 г. парламент ЕС проголосовал за поддержку исследований в сфере биотехнологии и регулирования ГМО; новая директива, создала юридическую основу для выпуска ГМО в окружающую среду и на рынок.

Основной акцент новой стратегии в Европе — идея сосуществования 3-х форм ведения сельского хозяйства: традиционного,    «органического»    и   агробиотехнологии [4].   

Однако негативное отношение Европы оказало заметное влияние на позицию общественности других стран,  в частности стран СНГ. Обеспокоенность общественности растет, невзирая на информацию ученых о проведенной научной оценке, показывающей  минимальный риск ГМР для окружающей среды, на подтвержденную всесторонними проверками безопасность пищи из ГМИ [19].

Создание ГМР — высоко технологичный процесс, основанный на фундаментальных научных знаниях, требующий высоко квалифицированных кадров и мощной современной инструментальной базы. Трансгенное растение создается в научных лабораториях, проходит стадию испытаний в теплицах и в полевых условиях, затем государственные сортоиспытания, регистрацию и, наконец, выходит на рынок: для выращивания в окружающей среде; употребления в пищу непосредственно или в переработанном виде; в качестве кормов для животных, или как источник лекарств — «съедобных» вакцин [19].

С 1999 г. Минздрав России зарегистрировал ГМР: сою, картофель, кукурузу, сахарную свеклу как источники для использования в пищевой промышпенности и реализации населению продуктов, полученных на их основе [9].

С 2002 г. в России введена обязательная маркировка пищевой продукции, если она содержит более 5% компонентов, полученных из ГМИ. Таким образом, достигается важнейший для потребителя момент — информирование, а следовательно, и право выбора. Маркировка — это только информация о продукте, она не играет никакой роли с точки зрения безопасности пищи из ГМИ для человека. Безопасность обеспечивается комплексной проверкой [4].

Европейская Комиссия в ноябре 2002 г. обнародовала новые Правила маркировки и трассирования генетически модифицированных пищевых продуктов и кормов. По этим правилам маркировке подлежит продукт, содержащий более 0,9% генно-инженерной компоненты (ранее было 0,5%) [16].

В США маркировка носит другой характер — не требуется указывать метод, которым получен продукт, но обязательно указание его новых свойств — повышенного содержания витамина А в «золотом рисе», например. Разрешается и добровольная отрицательная маркировка [14].

2.2 Генная инженерия и  животноводство

Идея генетического изменения животных  была реализована на практике в 1980-х гг. Эксперименты по генетической модификации многоклеточных организмов путем введения в них трансгенов требуют много времени [20]. Тем не менее трансгеноз стал мощным инструментом для исследования молекулярных основ экспрессии генов млекопитающих и их развития, для создания модельных систем, позволяющих изучать болезни человека, а также для генетической модификации клеток молочных желез животных с целью получения с молоком важных для медицины белков [12].

Трансгенный крупный рогатый скот.  Если предполагается использовать молочную железу в качестве «биореактора», то наиболее предпочтительным животным для трансгеноза является крупный рогатый скот, который ежегодно дает до 10 000 л молока, содержащего примерно 35 г белка на 1 л. Если в молоке будет содержаться такое количество рекомбинантного белка и эффективность его очистки составит 50%, то от 20 трансгенных коров можно будет получать примерно 100 кг такого белка в год. Именно столько белка С, использующегося для предотвращения тромбообразования, требуется ежегодно. С другой стороны, одной трансгенной коровы будет более чем достаточно для получения требуемого ежегодно количества фактора IX (фактора Кристмаса) каскадного механизма свертывания крови, который вводят больным гемофилией для повышения свертываемости крови [3].

Одна из целей трансгеноза крупного рогатого скота — изменение содержания в молоке различных компонентов [5]. Так, количество сыра, получаемого из молока, прямо пропорционально содержанию в нем казеина, поэтому весьма перспективным представляется увеличение количества синтезируемого казеина с помощью гиперэкспрессии трансгена этого белка. Далее, если обеспечить экспрессию гена лактазы в клетках молочной железы, то можно будет получать молоко, не содержащее лактозы [4]. Такое молоко незаменимо для многих людей, не переносящих лактозу; после приема молока или молочных продуктов у них возникает серьезное желудочное расстройство [3].

Весьма актуально создание домашних животных с наследственной устойчивостью к бактериальным и вирусным инфекциям и паразитарным инвазиям. Известно о существовании пород с наследственной устойчивостью к бактериальным инфекционным заболеваниям — маститу (коровы), дизентерии, холере. Если в основе устойчивости к каждой из этих болезней лежит один ген, можно создать несущих его трансгенных животных [12].

Трансгенные овцы, козы и свиньи. Были созданы трансгенные овцы и козы, способные секретировать в молоке белки человека. Сейчас имеются трансгенные овцы с повышенной скоростью роста шерсти. С этой целью к ДНК овечьего инсулиноподобного фактора роста 1 поместили под контроль мышиного промотора гена кератина с высоким содержанием серы. В результате этого наблюдалась гиперэкспрессия  ДНК [20].

В последнее время большое внимание уделяется вопросу об использовании органов животных для трансплантации человеку. Основная проблема межвидовой трансплантации — это гиперострое отторжение [3]. В естественных условиях воспалительная реакция блокируется особыми белками на поверхности клеток, выстилающих стенки кровеносных сосудов. Эти белки — ингибиторы комплемента видоспецифичны. Было высказано предположение, что если бы животное-донор несло один или несколько генов человеческого белка, ингибирующего комплемент, то пересаженный орган был бы защищен от первичной воспалительной реакции. С этой целью были получены трансгенные свиньи, несущие различные человеческие гены ингибитора комплемента. Клетки одного из этих животных оказались совершенно нечувствительными к компонентам системы каскада комплемента. Предварительные эксперименты по пересадке органов трансгенных свиней приматам показали, что ткани пересаженного органа повреждаются слабее, а сам орган не отторгается немного дольше. Возможно, трансгенные свиньи, несущие человеческий ген ингибитора комплемента и лишенные основного поверхностного белка клеток свиней, который вызывает острейшее отторжение, будут служить источником органов для трансплантации человеку [21].

Трансгенные птицы. Трансгенных птиц можно использовать для улучшения генотипа уже существующих пород — для придания им (in vivo) устойчивости к вирусным инфекциям и заболеваниям, вызываемым кокцидиями, повышения эффективности усвоения пищи, снижения уровня жира и холестерола в яйцах, повышения качества мяса [9]. Было предложено также использовать яйцо с его высоким содержанием белка в качестве источника белковых продуктов, использующихся в фармацевтической промышленности. Экспрессия трансгена в клетках репродуктивного пути курицы, где обычно секретируется большое количество овальбумина, может способствовать накоплению соответствующего белкового продукта в яйце, откуда его можно затем выделить [12].

2.3 Практическое применение генной инженерии в медицине

Уже не десятки тысяч, а несколько сот тысяч высококвалифицированных специалистов, работающие в медицинской  области заняты в исследовательских и промышленных секторах  генно-инженерных исследований. В последние годы в этой области достигнуты значительные результаты [9].

Вакцины — одно из самых значительных достижений медицины, их использование к тому же чрезвычайно эффективно с экономической точки зрения. По данным международной организации «Всемирный союз по вакцинам и иммунизации» (в числе ее участников — ВОЗ, ЮНИСЕФ, Международная федерация ассоциаций производителей фармацевтической продукции, Программа Билла и Мелинды Гейтс по вакцинации детей, Рокфеллеровский фонд и др.), в настоящее время отсутствуют эффективные вакцины, способные предупредить развитие СПИДа, туберкулеза и малярии, от которых в 1998 г. умерло около 5 млн. человек. Кроме того, увеличилась заболеваемость, обусловленная теми инфекциями, с которыми человечество ранее успешно боролось [4]. Однако ученые не прекращают вести разработки, так например в настоящее время ведут активные  разработки вакцины против СПИДа, поскольку именно с применением  методов генной инженерии возможно получить эффективное средство борьбы [23].

Используемые сегодня вакцины можно разделить в зависимости от методов их получения на следующие типы:

 живые аттенуированные вакцины;

 инактивированные вакцины;

 вакцины, содержащие очищенные компоненты микроорганизмов (протеины или полисахариды);

 рекомбинантные вакцины, содержащие компоненты микроорганизмов, полученные методом генной инженерии.

В последнее десятилетие, с развитием технологии рекомбинантных ДНК, появилась возможность создать новое поколение вакцин, не обладающих недостатками традиционных вакцин. Для их разработки применяют методы генной инженерии [6].

Традиционные вакцины содержат инактивированные или аттенуированные патогенные микроорганизмы (бактерии или вирусы). Эти вакцины имеют ряд недостатков: не все патогенные микроорганизмы можно вырастить в необходимых для производства вакцины количествах; работа с большим количеством патогенных микроорганизмов требует соблюдения строжайших мер предосторожности; аттенуированные штаммы нередко ревертируют и становятся вирулентными; инактивация часто бывает неполной; срок годности вакцины зависит от условий ее хранения [9].

Технология рекомбинантных ДНК позволяет создавать надежные вакцины, используя при этом разные подходы. Делетируя гены, ответственные за вирулентность, получают живые вакцины, содержащие непатогенные, иммунологи-чески активные штаммы,  которые не могут ревертировать и становиться патогенными [15]. Клонированные гены, кодирующие основные антигенные детерминанты патогенного организма, встраивают в геном непатогенного носителя (обычно вируса) и получают безопасную, не содержащую болезнетворных микроорганизмов вакцину [6]. Наконец, гены или их сегменты, кодирующие основные антигенные детерминанты патогенных микроорганизмов, встраивают в экспрессирующие векторы, получают нужный продукт в большом количестве и используют его как вакцину. Последний подход позволяет производить субъединичные и пептидные вакцины (если используются полноразмерные гены в первом случае и фрагменты генов, кодирующих домены основных антигенных детерминант — во втором). Пептидные вакцины получают и с помощью химического синтеза пептидов [9].