Что такое клеточная инженерия? Генная и клеточная инженерия

С давних пор человек мечтал о том, чтобы разводимые им животные были больше, выносливее и продуктивнее. Чтобы выращиваемые им сельскохозяйственные культуры вызревали в кратчайшие сроки, не поражались вредителями и болезнями, росли даже в условиях пониженных температур окружающего воздуха и отсутствия регулярных дождей.

В какой-то мере все эти планы удавалось претворить в жизнь благодаря селекции, но процесс этот весьма длительный, да и гарантии полного успеха дать никто не сможет. Кроме того, этот метод никак не поможет совместить в одном организме черты сразу нескольких видов. Конечно, если они могут скрещиваться естественным путем, то это возможно, но в прочих случаях о требуемых наследственных качествах можно только мечтать.

Основные технологии

Основным методом достижения таких результатов является клеточная инженерия. Наиболее детально все ее приемы отработаны на некоторых микроорганизмах. Вообще, дальнейшие возможности и перспективы данного направления попросту необъятны. На данный момент ведутся углубленные разработки по выделению отдельных генов, которые и можно встраивать в организм. Проще говоря, можно будет создавать домашних животных и растения, которые бы обладали строго определенным набором признаков и имели требуемый внешний вид.

Не стоит забывать и о том, что клеточная инженерия микроорганизмов сделала реальным получение «многофункциональных» бактерий, которые, к примеру, могут биологическим путем разлагать полиэтилен. Кроме того, модифицированные бактерии – идеальный материал для производства вакцин. Они вполне могут быть абсолютно безопасными (что позволяет применять «живые» препараты) из-за полностью отсутствующей вирулентности, но обладать всем набором антигенов своих «диких» предков.

Наконец, именно клеточная инженерия растений позволила вывести знаменитые квадратные арбузы и лимоны без косточек. Именно ей мы обязаны появлению картофеля, который не поедают личинки и взрослые особи колорадского жука. Именно благодаря генетическим исследованиям появилась пшеница, которая с легкостью дает отличный урожай на засоленных (!) почвах!

Методы клеточной инженерии

Всем растительным клеткам присуще свойство тотипотентности (это когда отдельная клетка может развиться в целый организм). В сельском хозяйстве это дает неограниченные перспективы в экспериментах по выведению новых видов полезных человеку культур. Весьма перспективна клеточная инженерия в животноводстве. В настоящее время ученые имеют громадный опыт по накоплению и хранению соматических клеток разнообразных пород животных in vitro. Особенно это касается хранения материала в условиях низких температур.

Кстати, а какие существуют методы клеточной инженерии животных? Давайте их обсудим.

Разделение эмбрионов на ранних стадиях

На сегодняшний день особенно перспективен метод разделения ранних эмбрионов. Первый толчок этому направлению дала начавшая развиваться трансплантология, методы которой позволили сохранять большое количество полученных эмбрионов. Вообще, первый удачный опыт по разделению зародышевого материала на стадии 2—8 был проведен Виллардом (в английском Кембридже). Недостаток такого метода в его трудоемкости, из-за чего данная операция может быть выполнена только в условиях хорошо оснащенного медицинского учреждения.

Проще говоря, это чрезвычайно сложная биотехнология. Клеточная инженерия в наше время использует куда более простые методы.

Позднее разделение зародышей

Так, ученые начали манипулировать зародышевым материалом только на более поздних стадиях (морула, бласто-циста). Сущность метода состоит в том, что сперва вскрывается прозрачная зона (pellucida), после чего эмбрион аккуратно разделяется надвое. Одна половинка остается на прежнем месте, в то время как вторую часть переносят в заранее подготовленную зону.

Даже несколько лет назад выживаемость эмбрионов при использовании этой методики достигала 50—60%, тогда как на сегодняшний день этот показатель приближается уже к 80%. Основной прикладной эффект – значительное увеличение количества телят, получаемых от одного производителя. Неудивительно, что клеточная инженерия животных – отрасль, которая не испытывает недостатка в финансировании.

Первыми в этих опытах были американские ученые. Именно они сделали вывод, что если лишить эмбрион прозрачной оболочки, то он выживает не более чем в 15% случаев, но если слой пеллюцида сохранить, то выживаемость сразу увеличивается до 35% случаев. Наиболее оптимальные результаты получаются в том случае, если у каждой половинки разделенного эмбриона есть прозрачная оболочка и каждую часть вводят в отдельный рог матки: в современных условиях выживает до 75% эмбрионов.

Но для каких целей используется клеточная инженерия на практике? Какие результаты получают с ее помощью?

Значение клеточной инженерии в племенном деле

На сегодняшний день эта методика все более активно начинает использоваться в международном племенном деле. Сравнительно недавно была успешно опробована методика получения и внедрения эмбрионов у свиней. Исследователи считают, что клеточная инженерия может позволить увеличить количество потомков одного животного минимум на 30—35%. Но не стоит забывать и о возможности получения генетических копий.

Такие животные едва ли не на вес золота для тех ученых, которые изучают взаимодействие окружающей среды и генотипа. Дело в том, что наличие двух совершенно одинаковых особей позволяет свести к минимуму влияние внутренних факторов при изучении влияния внешней среды на организм. Кроме того, можно производить забой одного животного из пары в том случае, если для исследования требуются данные о внутреннем состоянии организма.

Все эти разработки – основные методы клеточной инженерии. Но мы забыли рассказать о важнейшем направлении этой отрасли наук, связанном с искусственной регуляцией пола сельскохозяйственных животных. Пора исправить этот недочет.

Методы регуляции пола

Наверняка никто не удивится, узнав о невероятной важности разработок в области искусственной регуляции пола у сельскохозяйственных животных. В настоящее время ученые не могут регулировать численность животных одного пола, да и с узнаванием половой принадлежности особи на ранних этапах ее развития существуют большие проблемы. Пока что прогресс в деле искусственной регуляции этого показателя достигнут лишь очень незначительный: даже клеточная инженерия и клонирование не позволяют до конца решить эту проблему.

Конечно же, в идеале стоило бы попросту разделять спермии, которые несут Х- и У-хромосомы. Именно в этом направлении и должны развиваться исследования. Другой подход (который куда проще, а потому используется) состоит в том, чтобы извлекать ранние эмбрионы из репродуктивной системы самок, определять их пол, а затем производить их трансплантацию.

Но как ко всему этому относятся методы клеточной инженерии? Все достаточно просто.

Все дело в цитологическом методе, при помощи которого определяют тип эмбриона XX или XY. Делается это посредством изучения хроматина или же половых хромосом. В последние годы также выяснено, что выяснить пол можно, изучив специфические антитела, которые у самок и самцов совершенно разные. Есть также мнения некоторых ученых, что установить гендерную принадлежность можно, изучив активность глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы. Впрочем, в настоящее время наиболее эффективны цито­логический и иммунологический (изучение антител) методы.

Генная инженерия

В названии данной статьи неслучайно используется словосочетание "генная и клеточная инженерия". Какими бы эффективными ни были методы коррекции клеточного материала, работа непосредственно с генами всегда будет намного более эффективной.

В настоящее время именно генетические методы постепенно завоевывают лидирующую роль в животноводстве и растениеводстве всего мира. Благодаря им селекционная работа вышла на принципиально иной уровень: отныне ученые могут не просто предполагать, какими именно качествами будет обладать создаваемая ими особь, но знать это наверняка.

Нужно сразу заметить, что все не так уж и хорошо. Имеются некоторые ограничения. Дело в том, что к генетическим манипуляциям допускается только генетический материал быков, которые могут улучшать свое потомство (улучшатели). Проблема только в том, что таких животных на сегодняшний день чрезвычайно мало. Кроме того, программы, направленные на искоренение того же мастита, пока что видимых результатов не дают. Проще говоря, генная и клеточная инженерия – далеко не панацея.

Сами же методы инженерии стали складываться в единую систему только с 50-х годов прошлого века. Так, одной из основных работ, которые и положили начало данной отрасли науки, стали опыты по пересадке клеточных ядер по методу Бригса и Кинга. Сперва удачно осуществить данную операцию получалось исключительно на лягушках. В настоящее время проводятся удачные опыты по пересадке генетического материала даже у мышей и более крупных млекопитающих.

Сравнительно недавно учеными был создан метод переноса ядра после слияния кариопластов. Кроме того, методы генной и клеточной инженерии уже сейчас позволяют создавать химерические организмы на основе различных видов мекопитающих.

Гарднером вскоре был разработан принципиально новый метод, при котором производится имплантация бластомеров в бластоцисты реципиента. Бутлером данная методика была успешно отработана на лабораторных мышах. Именно на основании данных разработок впервые были получены химеры на основе организма овец.

Все описанные выше работы постепенно готовили мировую сельскохозяйственную науку к широкому внедрению методов генной инженерии. Наиболее распространенным методом на сегодняшний день является перенос генного материала в культивируемые клетки с последующим их внесением в бластоцисту.

Но перед тем как мы разберемся с некоторыми аспектами этой технологии, стоит ответить на важный вопрос. Точнее, обсудить отличие генной инженерии от клеточной. В общем-то, здесь все достаточно просто: если в первом случае ученые оперируют непосредственно генетическим материалом, то при использовании «клеточных» методов для работы берутся целые органоиды и участки клеток, которые имплантируются в материал реципиента.

Развернутое определение

Так в чем состоит суть генной инженерии? В середине 70-х годов прошлого века ученые сделали сенсационное открытие. Они выяснили, что некоторые микробные ферменты способны разрезать молекулу ДНК в необходимом месте. Проще говоря, появилась уникальная возможность получать генетический материал со строго заданными свойствами.

Наконец-то исследователи смогли с высочайшей точностью идентифицировать определенные гены, а также клонировать их в случае необходимости. Какими принципами руководствуются ученые в своей работе? В общем-то, их всего два:

• Ген должен иметь какую-то четкую характеристику, которую и предстоит детектировать.
• Выделенный генетический материал требуется прикрепить к переносчику (вирусу, к примеру), который и произведет его трансплантацию.

Проще говоря, выделенный ген из организма донора нужно перенести в организм реципиента, для которого он является чужим. Главное в работе исследователей – не просто добиться его приживления, но и создать такие условия, при которых он будет нормально реплицироваться.

Работа с зиготой

Впрочем, в последние годы не меньшее распространение получила методика, при которой чужеродные гены инъецируют в пронуклеус зиготы животных. Впервые этот способ был апробирован на ооцитах озерных лягушек: сперва в них вводилась определенная ДНК, причем учеными сразу были отмечены интеграция и транскрипция. В 1981 году впервые был проведен интереснейший эксперимент, в ходе которого ген гаммаглобулина кролика был внесен в зиготу мыши.

Ген при этом имел вид длинного геномного тандема, содержащего стабильные участки. Любопытно, но правильно транскрибирова­лись они только при том условии, если в них совершенно не было плазмидных компонентов. Проявление генов, которые были встроены с использованием этого метода, было подробнейшим образом изучено на лабораторных мышах.

За один год до экспериментов с зиготой мыши, в 1980 году, в пронуклеус все той же мышиной зиготы поместили плазмиду pBR322, в которой содержались фрагменты вирусов SK40 и HSV. В результате ДНК вируса была найдена у трех мышей из 78 особей, которые участвовали в эксперименте. Как ни странно, но при инъекции гена гаммаглобулина человека его интеграция наблюдалась уже у пяти мышей из 33 особей (более 15%). Этот опыт уже тогда доказал, что создание химерических организмов, которые бы сочетали в себе черты сразу нескольких видов, вполне реально.

Бринстер и его последователи с учениками произвели трансплантацию в пронуклеусы зигот мышей специально подготовленной конструкции, в состав которой входил металлотионеин мыши, а также ген тимидинкиназы. В этом случае полная интеграция была отмечена уже у 17% лабораторных животных.

Основные выводы

В настоящее время генная инженерия наконец-то стала перспективной, обсуждаемой отраслью науки. Об этом знают практически все. Но в чем же состоят задачи клеточной инженерии и работы с генетическим материалом? О, они весьма разнообразны.

Во-первых, перед учеными всего мира стоит задача усмирения, снижения голода на всей планете. Методы генной и клеточной инженерии делают вполне реальным создание таких сортов растений и видов животных, продуктивность которых будет в десятки раз превышать таковую у их диких предков.

Во-вторых, эта научная отрасль, быть может, окажется способна победить проблемы преждевременного старения и прочих генетических заболеваний, от которых на сегодняшний день не существует ни одного лекарства. Наконец, именно генная инженерия когда-нибудь наверняка позволит в значительной степени продлевать жизнь!

Специалисты говорят, что именно методы генной инженерии уже в ближайшем будущем позволят не только диагностировать на предельно ранних сроках беременности генетические болезни (синдром Дауна, к примеру), но и эффективно их лечить!