Въведение в генното инженерство, възможности на генното инженерство
Въведение в генното инженерство
Възможностите на генното инженерство
Важен компонент на биотехнологията е генното инженерство. Родена в началото на 70-те, днес тя постигна голям успех. Техниките на генното инженерство трансформират клетки от бактерии, дрожди и бозайници във „фабрики“ за широкомащабно производство на всякакви протеини. Това дава възможност да се анализират в детайли структурата и функциите на протеините и да се използват като лекарства.
В момента Escherichia coli (E. coli) се превърна в доставчик на такива важни хормони като инсулин и соматотропин. Преди това инсулинът се получаваше от животински клетки на панкреаса, така че цената беше много висока. За получаване на 100 g кристален инсулин са необходими 800-1000 kg панкреас, а една жлеза на крава тежи 200-250 грама. Това направи инсулина скъп и трудно достъпен за широк кръг от диабетици. През 1978 г. изследователи от Genentech направиха първия инсулин в специално разработен щам на Escherichia coli. Инсулинът се състои от две полипептидни вериги А и В с дължина 20 и 30 аминокиселини. Когато са свързани чрез дисулфидни връзки, се образува нативен двойноверижен инсулин. Доказано е, че той не съдържа протеини на E. coli, ендотоксини и други примеси, няма странични ефекти като животинския инсулин и не се различава от него по биологична активност. Впоследствие проинсулинът се синтезира в клетки на Е. coli, за които се синтезира ДНК копие върху РНК матрицата с помощта на обратна транскриптаза. След пречистване на получения проинсулин той се разделя и се получава нативен инсулин, като етапите на екстракция и изолиране на хормона се свеждат до минимум. От 1000 литра културална течност могат да се получат до 200 грамахормон, който е еквивалентен на количеството инсулин, отделено от 1600 kg панкреас на прасе или крава.
Соматотропинът е човешки растежен хормон, секретиран от хипофизната жлеза. Липсата на този хормон води до хипофизен нанизъм. Ако соматотропинът се прилага в дози от 10 mg на kg телесно тегло три пъти седмично, тогава за една година дете, страдащо от неговия дефицит, може да нарасне с 6 см. Преди това се получаваше от трупен материал, от един труп: 4 - 6 mg соматотропин по отношение на крайния фармацевтичен продукт. По този начин наличните количества хормон са ограничени, освен това хормонът, произведен чрез този метод, е хетерогенен и може да съдържа бавно развиващи се вируси. Компанията "Genentec" през 1980 г. разработи технология за производство на соматотропин с помощта на бактерии, която беше лишена от тези недостатъци. През 1982 г. човешки растежен хормон е получен в култура на Е. coli и животински клетки в института Пастьор във Франция, а от 1984 г. в СССР започва промишлено производство на инсулин. При производството на интерферон се използват както Е. coli, S. cerevisae (дрожди), така и култура от фибробласти или трансформирани левкоцити. По подобни методи се получават и безопасни и евтини ваксини.
Производството на високоспецифични ДНК сонди се основава на технологията на рекомбинантната ДНК, с помощта на която те изучават генната експресия в тъканите, локализацията на гените в хромозомите и идентифицират гени, които имат свързани функции (например при хора и пилета). ДНК сондите се използват и при диагностицирането на различни заболявания. Рекомбинантната ДНК технология направи възможен неконвенционален подход протеин-ген, наречен "обратна генетика". С този подход се изолира протеин от клетката, генът на този протеин се клонира, модифицира се, създавайки мутантен ген, кодиращпроменена форма на протеина. Полученият ген се въвежда в клетката. Ако се експресира, клетката, която го носи, и нейните потомци ще синтезират променения протеин. По този начин дефектните гени могат да бъдат коригирани и наследствените заболявания да бъдат лекувани.
Ако хибридната ДНК се въведе в оплодена яйцеклетка, могат да се получат трансгенни организми, които експресират мутантния ген и го предават на потомството. Генетичната трансформация на животните позволява да се установи ролята на отделните гени и техните протеинови продукти както в регулирането на активността на други гени, така и в различни патологични процеси. С помощта на генното инженерство са създадени линии животни, устойчиви на вирусни заболявания, както и породи животни с полезни за човека черти. Например, микроинжектирането на рекомбинантна ДНК, съдържаща гена на говежди соматотропин, в зигота на заек, направи възможно получаването на трансгенно животно с хиперпродукция на този хормон. Получените животни са с изразена акромегалия. Сега дори е трудно да се предвидят всички възможности, които ще бъдат реализирани през следващите няколко десетилетия.