Эндонуклеазы рестрикционные способны разрезать чужеродную молекулу ДНК в определенных участках. В генной инженерии они нужны для удаления группы нуклеотидов из генома одного организма или встраивания их в чужую ДНК
Создание трансгенного организма происходит в несколько этапов. Для начала нужно с совершенной точностью определить «донорский» ген, который заставит новый организм выполнять несвойственные ему до момента «операции» функции. Скажем, нас интересует синтез какого-нибудь вещества. Если это белок — нужно выделить и очистить его самого. Если же это сравнительно простое вещество (скажем, глутамат, придающий супам быстрого приготовления их неповторимый устойчивый вкус) — нужно выделить и очистить фермент, который его образует. Затем следует определить его аминокислотную последовательность, «вычислить» по ней последовательность нуклеотидов в соответствующем гене (это опять-таки непросто: одну аминокислоту могут кодировать несколько сочетаний нуклеотидов) и, наконец, найти нужный ген. Теперь его надо вырезать и встроить в другую молекулу ДНК, способную обеспечить жизнеспособность «переселенца» в чужеродном окружении. При положительном результате подобных манипуляций в клетке начинает синтезироваться новый белок, что и приводит к появлению у организма новых свойств. Вот, собственно, и все основы генной инженерии.
Впрочем, множество генов было идентифицировано еще до возникновения трансгеники. И за 30 с лишним лет научных и практических изысканий поиск соответствия между интересующим разработчика продуктом и ответственным за него геном значительно упростился. Задачу расшифровки нуклеотидной последовательности нужного гена, за решение которой в 70-е годы давали нобелевские премии, сегодня выполняет машина — автоматический секвенатор. За один рабочий день он может расшифровать до 800 тысяч молекул ДНК.
Основные вехи истории генной инженерии
1944 — Эйвери, Мак-Леод и МакКарти показали, что «вещество наследственности» — это ДНК
1953 — Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик определили структуру молекулы ДНК — двойную спираль
1961—1966 — расшифрован генетический код — принцип записи в ДНК и РНК последовательности аминокислот в белках
1970 — выделена первая рестриктаза
1973 — Гобинд Корана синтезировал полноразмерный ген; Герберт Бойер и Стэнли Коэн предложили стратегию создания рекомбинантных ДНК
1976—1977 — разработаны методы определения нуклеотидных последовательностей (секвенирования) любых ДНК
1978 — фирма Genentech выпустила рекомбинантный инсулин, производимый человеческим геном, введенным в бактериальную клетку
1980 — Верховный суд США вынес вердикт о законности патентования трансгенных микроорганизмов
1981 — поступили в продажу автоматические синтезаторы ДНК 1982 — в США впервые поданы заявки на проведение полевых испытаний трансгенных организмов; в Европе разрешена первая вакцина для животных, полученная методами генной инженерии
1983 — для трансформации растений применены гибридные Ti-плазмиды; компания Monsanto начала создание трансгенных растений
1985—1988 — разработан метод полимеразной цепной реакции (ПЦР)
1988 — в США утвержден план испытаний генной терапии с использованием человеческих клеток; официально начаты работы над всемирным проектом «Геном человека»
1994 — получено первое разрешение на возделывание трансгенного растения (помидора сорта FlavrSavr)
1996 — началось массовое выращивание трансгенных растений
1998 — Европейский союз ввел мораторий на регистрацию новых ГМ-культур, действовавший до 2002 года
2000 — принят Картахенский протокол по биобезопасности (вступил в силу в 2003 году), установивший наиболее общие международные нормы обращения с трансгенными организмами
2003 — опубликована предварительная генетическая карта человека, что ознаменовало формальное завершение проекта «Геном человека». Были секвенированы фрагменты генома, содержащие 99% генов человека
2006 — ученые, работающие над расшифровкой генома человека, опубликовали полную генетическую карту хромосомы 1, которая была последней из не полностью секвенированных хромосом
Игрушки и инструменты
Сегодня в разных лабораториях мира «собрано» уже огромное количество генетически модифицированных организмов (ГМО) с самыми разными признаками. Некоторые из них выглядят просто живыми курьезами, шуткой экспериментатора. Скажем, если светящиеся орхидеи сингапурца Чья Тет Фатта привлекают внимание своей красотой (правда, в основном на фотографиях — увидеть их свечение простым глазом почти невозможно), то трансгенные поросята американского профессора Рэнди Пратера со светящимися же пятачками и копытцами откровенно смешны — хотя и те, и другие создавались во вполне практических целях: блеск маркировал те ткани, где работал пересаженный участок ДНК. Примерно из таких же соображений были «выведены» зеленые мыши и обезьянки, картошка «полей меня!», начинающая сверкать при нехватке влаги и в иных стрессовых для растения ситуациях, а также многие другие странные организмы. Кажется, только флуоресцирующая зеленым светом крольчиха Альба была «придумана» бразильским художником Эдуарду Кацем как чисто художественное произведение. Все остальные служат инструментами для добычи новых знаний. Они помогают ученым понять, как организм управляет генами и как сам ген узнает, когда ему начинать и когда прекращать работу.
Разумеется, для того, чтобы стать средством научного поиска, ГМ-организму не обязательно светиться. Более того, самый мощный вклад в исследования последних лет внесли существа, отличающиеся от нормальных сородичей не лишними, а, наоборот, недостающими генами. Технологии генной инженерии позволяют не только пересадить зародышу чужой ген, но и избирательно вырезать или лишить активности его собственный, причем вполне определенный. Такие животные получили название «нокаутных». Понятно, что метод «нокаутирования» позволяет прямо выяснять функции выбитой «детали», ее роль в тех или иных физиологических процессах. Особенным успехом у современных экспериментаторов пользуются «нокаутные» мыши, сыгравшие в функциональной генетике примерно ту же роль, что мушки-дрозофилы в генетике классической. Из всех быстро размножающихся и хорошо изученных животных мышь ближе всего к человеку: подавляющее большинство наших генов есть и у нее. Так вот, «нокаутные» мыши позволили нащупать молекулярные механизмы огромного числа нормальных и патологических процессов — от запоминания и поведения до канцерогенеза и старения. Последовательные «отключения» одного гена за другим позволили ученым поставить вопрос о «минимальном геноме»: каков критический набор генов, позволяющий тому или иному существу жить и выполнять свои функции?
