Генная инженерия (технология рекомбинантных ДНК) представляет собой совокупность экспериментальных процедур, позволяющих осуществить перенос ДНК из одной клетки в другую (в виде функциональной молекулы).
При этом клетку, из которой выделяют фрагмент ДНК, принято называть донором, а клетку, в которую вносят этот фрагмент, — реципиентом, или хозяином. Сам процесс переноса ДНК из одной клетки в другую называют клонированием. Рекомбинантными ДИК принято считать молекулы, содержащие фрагмент (вставку) чужеродной ДНК, нехарактерной для данной клетки. Получать такие молекулы ДНК позволяет генная инженерия. Таким образом, термины «генная инженерия» и «технология рекомбинантных ДНК», по сути, являются синонимами, по отношению к ним понятие «клонирование» более узкое.
Как и когда возникла эта технология? Отсчет истории технологии рекомбинантных ДНК ведется с 1973 г., когда американские ученые С. Коэн и Г. Бойер показали, как можно перенести фрагмент ДНК в клетку Е. coli и создать новую генетическую структуру, способную реплицироваться в этой клетке. Эту структуру (рекомбинантную ДНК) авторы получили из плазмид — автономно существующих в бактериальной клетке внехромосомных кольцевых генетических элементов. С. Коэн и Г. Бойер не только смогли перенести ген из одной плазмиды в другую, но и показали, что этот ген остается биологически активным. Проиллюстрировав возможность клонирования генов, американские ученые создали экспериментальную базу для генной инженерии, показали, что плазмиды могут служить носителями и векторами клонированных генов.
Последующие работы очень скоро привели к созданию более сложных векторов и стратегий клонирования. Однако сам принцип метода не претерпел серьезных изменений. Обычно эксперименты по созданию рекомбинантных ДНК проводят по следующей схеме:
а) из организма — донора целевого гена — выделяют нативную ДНК и подвергают ферментативному расщеплению («вырезают» нужный ген);
б) вектор, с помощью которого ДНК вводят в другой организм, также расщепляют ферментами;
в) затем ген и вектор с помощью ферментов соединяют («сшивают») с образованием новой рекомбинантной кольцевой молекулы;
г) эту конструкцию вводят в клетку-реципиент (Е. coli) и культивируют эти клетки (конструкция реплицируется и передается потомкам);
д) идентифицируют и отбирают колонии (клоны), несущие рекомбинантную ДНК, получают синтезированный клетками-реципиентами белковый продукт, который закодирован в перенесенном (клонированном) участке ДНК.
Белковые продукты, получаемые таким генно-инженерным методом, называют рекомбинантными, т. е. синтезированными на матрице рекомбинантной молекулы ДНК. С помощью этой технологии можно нарабатывать практически любые белки в крупных масштабах. Генная инженерия позволяет производить с помощью микроорганизмов многие ценные соединения — витамины, аминокислоты, красители, предшественники различных биополимеров, антибиотики, ферменты и др. Кроме того, открываются потенциальные перспективы создания профилактических препаратов четвертого поколения — генно-инженерных субъединичных вакцин на основе протективных белков возбудителей инфекций. Главное достоинство таких вакцин — достаточно высокая иммуногенность и в то же время отсутствие балластных белков.
Еще одним направлением практического применения технологии рекомбинантных ДНК является генная инженерия растений и животных. Растения и животные, полученные с помощью методов генной инженерии, принято называть трансгенными (более распространен термин генетически модифицированные). Это направление включает в себя перспективы создания новых высокоурожайных и устойчивых к неблагоприятным факторам сортов культурных растений, улучшение питательных качеств и сохранности сельскохозяйственных культур, а также получение новых линий декоративных растений. В области генной инженерии животных ведутся работы по созданию новых пород высокопродуктивных сельскохозяйственных животных, улучшению качества производимой ими продукции (молока, мяса, шерсти и др.).
Стоит отметить еще одну активно развивающуюся область возможного применения достижений технологии рекомбинантных ДНК — это генная терапия заболеваний человека. В настоящее время разрабатываются два основных подхода коррекции генетических дефектов: генная терапия ex vivo и генная терапия in vivo. Терапия ex vivo подразумевает получение клеток от больного, исправление генетического дефекта в изолированных клетках, наращивание и трансплантацию генетически «исправленных» клеток пациенту. Подход in vivo предусматривает доставку «терапевтического» гена непосредственно в определенные клетки человека. В рамках этих направлений также развиваются подходы к лечению раковых опухолей и медленных вирусных инфекций.
Разберем поэтапно весь комплекс генно-инженерных манипуляций.