Глава 1. История развития генной инженерии

Генная инженерия появилась благодаря работам многих исследователей в разных отраслях биохимии и молекулярной генетики. На протяжении многих лет главным классом макромолекул считали белки. Существовало даже предположение, что гены имеют белковую природу. Лишь в 1944 году Эйвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что носителем наследственной информации является ДНК. С этого времени начинается интенсивное изучение нуклеиновых кислот. Спустя десятилетие, в 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали двуспиральную модель ДНК. Именно этот год принято считать годом рождения молекулярной биологии.

На рубеже 50 - 60-х годов были выяснены свойства генетического кода, а к концу 60-х годов его универсальность была подтверждена экспериментально. Шло интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой стали E. coli, ее вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов. ДНК вирусов и плазмид вводили в клетки в биологически активной форме, обеспечивая ее репликацию и экспрессию соответствующих генов. В 70-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК. Особая роль в развитии методов генной инженерии принадлежит рестриктазам и ДНК-лигазам.

Историю развития генетической инженерии можно условно разделить на три этапа.

Первый этап связан с доказательством принципиальной возможности получения рекомбинантных молекул ДНК in vitro. Эти работы касаются получения гибридов между различными плазмидами. Была доказана возможность создания рекомбинантных молекул с использованием исходных молекул ДНК из различных видов и штаммов бактерий, их жизнеспособность, стабильность и функционирование.

Второй этап связан с началом работ по получению рекомбинантных молекул ДНК между хромосомными генами прокариот и различными плазмидами, доказательством их стабильности и жизнеспособности.

Третий этап - начало работ по включению в векторные молекулы ДНК (ДНК, используемые для переноса генов и способные встраиваться в генетический аппарат клетки-рецепиента) генов эукариот, главным образом, животных. Формально датой рождения генетической инженерии следует считать 1972 год, когда в Стенфордском университете П. Берг, С. Коэн, Х. Бойер с сотрудниками создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага и E. coli.

Глава 2. Возможности генной инженерии

В настоящее время генная инженерия используется сразу в нескольких отраслях.

В первую очередь это селекция. Современная наука может повысить устойчивость растений к заболеваниям, например, в 1986 году в США вывели трансгенный сорт табака, который был невосприимчив к вирусной инфекции, которая уничтожала большую часть растений. Также одним из премеров является создание устойчивой к гербицидам соя от компании “Monsanto”.

Трансгенные растения впервые появились на рынке США в 1994 году, а уже в 1999 году такие растения были высажены на площади в 40 млн. га. В данный момент в США генетически модифицированные растения составляют 50% посевов кукурузы и сои и более 40% посевов хлопчатника. Это говорит о увеличении роли генной инженерии в нашей жизни, ведь в будущем возможно все растения будут генно-модифицированы

Текущим этапом развития генетической инженерии растений является “метаболическая инженерия”. В сути оно учит растение синтезировать нужные для человека соединения, при меньших затратах со стороны людей. Этими соединениями могут быть особые жирные кислоты, белки с содержанием незаменимых аминокислот, съедобные вакцины или “лекарственные белки”. Использование таких трансгенных растений позволит наладить масштабное производство таких веществ и тем самым сделать их более доступным для людей.

Также одним из направлений является повышение устойчивости растений к стрессовым условиям. К таким стрессовым условия относят недостаток влаги, высокие и низкие температуры, недостаток влаги, засоление почв, загазованность среды, недостаток минеральных веществ и т.д.

Устойчивость растений складывается с воздействий множества генов, потому влиять на растение возможно только косвенно, например, манипуляции с Pseudomonas syringae. Этот микроорганизм, сосуществующий с растениями, вызывает кристаллизацию льда и повреждение тканей растений. Для морозостойкости растения учёные модифицировали бактерии, чтобы они не синтезировали белок, способствующий кристаллизации льда, и тем самым увеличили устойчивость растений к морозу.

Возможно увеличение эффективности азотфиксации у растений. Так как растения не могут проявлять диазотрофность на прямую, необходимо модифицировать бактерии. Учёные увеличили способность к колонизации у Klebsiella pneumoniae и увеличили синтезирующую способность бактерии образовывать аммиак из азота, тем самым увеличив эффективность азотфиксирующих клубеньков

Также одним из применений генной инженерии является повышение эффективности фотосинтеза. С4-растения характеризуются высокими темпами роста и скоростью фотосинтеза, у них практически отсутствует видимое фотодыхание. У большинства сельскохозяйственных культур, относящихся к С3-растениям, высокая интенсивность фотодыхания. Фотосинтез и фотодыхание -- тесно связанные процессы, в основе которых лежит бифункциональная активность одного и того же ключевого фермента -- рибулозобисфосфат-карбоксилазы (РуБФК). РуБФ-карбоксилаза может присоединять не только С02, но и 02, то есть осуществляет реакции карбоксилирования и оксигенирования. При оксигенировании РуБФ образуется фосфогликолат, который служит основным субстратом фотодыхания -- процесса выброса С02 на свету, в результате чего теряется часть фотосинтетических продуктов. Низкое фотодыхание у С4-растений объясняется не отсутствием ферментов гликолатного пути, а ограничением оксигеназной реакции, а также реассимиляцией СO2 фотодыхания.

Одной из задач, стоящих перед генетической инженерией, является исследование возможности создания РуБФК с преобладающей карбоксилазной активностью.