Открытие способности чужеродной ДНК проникать в клетку хозяина и объединяться с ее геномом привело к возникновению нового направления в молекулярной биологии, получившего название генной (генетической) инженерии.
Генная инженерия — целенаправленное изменение наследственных свойств животных и растений путем синтеза, то есть создания действующих генов искусственным путем, или извлечения генов из одних организмов н введения их в клетки других организмов. Теоретическая основа генной инженерии универсальность генетического кода.
В связи с тем, что одни и те же кодоны (триплеты нуклеотидов) программируют включение аминокислот в белковые молекулы у всех организмов — человека, животных, растений, бактерий, а также вирусов — теоретически возможно осуществлять гибридизацию на молекулярном уровне путем переноса отдельных отрезков ДНК в любые чужеродные клетки. В отличие от обычной гибридизации, когда происходит рекомбинация хромосом родственных организмов, при генной инженерии осуществляется объединение ДНК любого происхождения и может идти обмен генами между далекими родами, семействами, классами и даже царствами (животные и растения) организмов.
При генной инженерии перенос генов осуществляется не половыми клетками, как при обычном скрещивании, и не ядром, как при соматической гибридизации клеток, а с помощью искусственно создаваемых генетических элементов — векторов (векторных молекул). Вектор — специально сконструированная плазмида (внехромосомные молекулы ДНК, способные к автономной репликации и передающиеся в дочерние клетки при делении бактерий) или вирус, в геном которых можно внедрить чужеродную генетическую информацию. В качестве векторов используют в основном плазмиды, выделенные из классического объекта молекулярной генетики — кишечной палочки. Перенос гена в чужеродную клетку называется трансгенозом. Переносить можно искусственно синтезированный ген или блок генов.
При осуществлении генной инженерии возникают большие трудности. Они связаны главным образом с тем, что ген, введенный в другой организм извне, должен быть встроен в его генетический аппарат, адаптироваться в новой для него генной и физиологической среде и начать функционировать в сложной исторически сложившейся системе регуляторных блоков. В настоящее время известно несколько методов трансгеноза. Один из них — трансдукция с помощью вирусов и фагов, к ДНК которых можно химически или с помощью ферментов приращивать почти любые участки ДНК одной клетки и переносить их в другие клетки. Таким путем недавно удалось переместить из клетки мыши в бактерии Е. coli ген, контролирующий синтез инсулина — гормона, регулирующего сахарный обмен в крови млекопитающих. Очевидно, скоро станет доступным получение в бактериальных клетках этого гормона.
У высших организмов большие перспективы для переноса чужеродной наследственной информации открываются в результате разработки метода гибридизации клеток. Доказана возможность трансгеноза с помощью ДНК, выделенной из клеток и освобожденной от примесей. На искусственной среде выращивали клетки зародыша цыпленка. В определенный момент к ним добавляли бром-дезоксиуридин, который включался во вновь синтезированные нити ДНК. По этой метке новые синтезированные за время наблюдения нити ДНК можно было отличить от старых. В эту среду одновременно добавляли ДНК, полученную от мыши и меченную тритием (3Н), что позволило отличить ДНК мыши от ДНК цыпленка, которая содержала или не содержала в качестве метки бром. Через некоторое время после размножения клеток из них выделяли ДНК и выявляли в ней распределение меток по брому (ДНК цыпленка) и тритию (ДНК мыши). При этом обнаруживался обмен кусочками их ДНК: ДНК мыши включалась в ДНК цыпленка и наоборот.
Возможное практическое использование генной инженерии исключительно велико. В первую очередь оно касается разработки новых методов лечения наследственных заболеваний человека, связанных с нарушениями обмена веществ.
Заманчивой представляется проблема биологической фиксации азота — создание культурных злаков, содержащих гены фермента нитрогеназы, необходимого для ассимиляции атмосферного азота. Такие гены известны у некоторых видов бактерий, которым не требуются для роста соли аммония или азотной кислоты. У них имеется ген nif, обеспечивающий фиксацию азота. Этот ген кодирует синтез фермента нитрогеназы, который обеспечивает превращение атмосферного азота в аммоний, используемый в дальнейшем в синтезе аминокислот. Однако внесение бактериальных nif-генов в растительные клетки представляет очень большие трудности, так как процесс фиксации азота требует значительных затрат энергии (АТФ) и в силу того, что ферменты нитрогеназного комплекса не могут работать в присутствии кислорода. Проведен перенос этих генов от азотфиксирующей бактерии, которая приобрела способность использозать для построения своих белков азот воздуха.
В последнее время показана возможность переноса генов бактерий в клетки растений. Включение в геном растительных клеток бактериальных генов и синтетических матриц для придания им новых свойств имело бы огромное значение. Генная инженерия может в дальнейшем беспредельно изменить возможности отдаленной гибридизации растений.