Гендік инженерия

Гендік инженерия, немесе генетикалық инженерия — генетикалық және биохимиялық әдістердің көмегімен түраралық кедергілері жоқ, тұқым қуалайтын қасиеттері өзгеше, табиғатта кездеспейтін жаңа гендер алу; молекулярлы биологияның бір саласы. Гендік инженерия әр түрлі ағзалар геномының бөлігінен рекомбинатты ДНҚ құрастырумен қатар, ол рекомбинатты молекулаларды басқа ағза геномына енгізіп, жұмыс істеуін (экспрессиясын) қамтамасыз етеді. Гендік инженериядағы тұңғыш тәжірибені 1972 ж. американ биохимигі Пол Берг (Нобель сыйлығының лауреаты) іске асырды. Ол маймылдың онкоген вирус SV-40-тың толық геномын, бактериофаг — L геномының бір бөлігін және Е. Colі бактериясының галактоза генін біріктіру арқылы рекомбинантты (гибридті) ДНҚ алды. 1973 — 74 ж. Америка биохимиктері С. Коэн, Г. Бойер, т.б. түрлі ағзалардан бөліп алынған генді бактерия плазмидасының құрамына енгізді. Бұл тәжірибе басқа организмдер гендерінің жаңа ағза ішінде жұмыс істей алатынын дәлелдеді. Жануарлар клеткаларымен жүргізілген тәжірибелерде бір клетканың ядросын екіншісімен алмастыруға, екі немесе бірнеше эмбриондарды қосып біріктіруге, оларды бірнеше бөлікке бөлшектеуге болатыны анықталды. Мысалы, генотиптері әр түрлі тіндердің клеткаларын біріктіру арқылы тышқанның аллофенді особьтары (фенотипі әр түрлі дарабастар) алынды. Гендік инженерияның теориялық негізіне генетикалық кодтың әмбебаптылығы жатады. Бір ғана кодтың (триплеттің) әр түрлі ағзадағы белок молекулаларының құрамына енетін амин қышқылдарын бақылай алатындығына байланысты, ДНҚ молекуласының кез келген бөлігін басқа бөтен жасушаға апарып салу, яғни молекулалық деңгейде будандастырылу теориялық тұрғыдан алғанда мүмкін екені анықталды. Жануарлар, өсімдіктер және микроорганизмдер гендерінің қызметін қолдан басқаруға болатындығы дәлелденді. Ауыл шаруашылығында өсімдіктің атмосфералық азотты өзіне жинақтап алуы — үлкен мәселе. Осыған байланысты 1970 жылдары азотты фиксациялауға қабілеті жоқ пішен таяқшасына (бациллаға) азотты жинақтай алатын, басқа бір бактерияның гені салынып, азотты жинақтау қасиетіне ие болды. Медицина саласында жаңа гендерді енгізу арқылы тұқым қуалайтын ауруларды емдеуге болады. Қазіргі кезде ауру адамдардан зат алмасудың 1000-нан аса әр түрлі тұқым қуалайтын өзгерістері табылған. Гендік (генетикалық) инженерия — молекулалық және клеткалық инженерия белгілі бір мақсатпен жасанды айқын қасиеттері бар генетикалық материалдарды алдын ала құрастырып, оларды басқа клеткаға енгізіп, көбейтіп, зат алмасу процесін өзгеше жүргізу. Бұл әдіспен организмдердегі тұқым қуалайтын информацияны көздеген мақсатқа сай өзгертіп, олардың геномдарын белгілеген жоспармен қайта құруға болады. Гендік инженерия ол функциональдық активті генетикалық құрылымдарды рекомбинаттық (ата-ана екі ДНҚ молекулалары арасынан пайда болған будан) ДНҚ молекулалары түрінде қолдан құрастыру. Гендік инженерияның мәні жеке гендерді бір организмнен алып, басқа организмге көшіріп орналастыру. Бұл рестриктаза деген фермент пен лигаза ферментінің ашылуы негізінде мүмкін болды. Рестриктаза ферменті ДНҚ молекуласын нақты белгіленген жерлерін кесіп алады да, осылай фрагменттерді (рестрикция сайттарын) түзеді. Ал лигаза ферменті гетерогендік ДНҚ-ның фрагменттерін бүтін тігеді. Құрамында шығу тегі әр түрлі ДНК-лары бар молекуланы рекомбинаттық молекула деп атайды. Рекомбинаттық ДНҚ = прокариоттардың және / немесе вирустардың ДНҚ-ы (вектор) + эукариоттардың ДНҚ-ы (бөтен ДНҚ). Вектордың көмегімен эукариоттардың бөтен ДНҚ-ы клеткаға еніп, геномға интеграциялана алады. Сонымен, прокариоттар мен вирустардың зерттелетін ДНҚ молекулалары нақты белгіленген жерден кесіліп, одан кейін бұл жерге эукариоттардың қажетті бөтен гені енгізіледі, осылайша рекомбинаттық (гибридтік) ДНҚ түзіледі. Түзілген рекомбинаттық ДНҚ тірі жасушаға енгізіледі, жаңа геннің экспрессиясы (көріну күші) басталғаннан соң, клетка сол ген кодтаған белокты синтездей бастайды. Сонымен, клеткаға рекомбинаттық ДНҚ молекуласы түрінде жаңа генетикалық ақпаратты енгізіп, соңында жаңа белгісі бар организмді алуға болады. Мұндай организмді трансгендік немесе трансформацияланған организм дейді. Осылайша, гендік инженерияның дамуына негіз болған молекулалық биология мен молекулалық генетиканың мынадай жетістіктері бар: # Рестриктазалар мен лигаза ферменттерінің ашылуы; # Гендерді химиялық заттарды және ферменттерді қолдану арқылы синтездеу; # Бөтен генді клеткаға тасымалдаушы-векторларды пайдалану; # Бөтен генге ие болған клеткаларды таңдап, бөліп алу жолдарының ашылуы. Алғашқы рет рекомбинаттық ДНК 1972 жылы АҚШ-та П.Бергтің лабораториясында жасалды. Эмбриогенетикалық инженерия Эмбриогенетикалық инженерия - жануарлар геномын, олардың өсіп өнуіне онтогенездің (жеке даму) алғашқы сатыларында белсенді араласу арқылы қайта құру. Геномды қайта құру - клондау арқылы ұрықты (эмбрионды) реконструкциялау, біріктіру немесе олардың ядроларына бөгде ДНҚ-ны енгізу. Бірақ эмбриондық өркендерді, химерлерді (грек."chimaira" - әртүрлі генетикалық тіндерден тұратын мозаик-организм), немесе трансгендік жануарларды алу, тек қана реконструкцияланған эмбрионды ұқыпты трансплантациялау нәтижесінде ғана мүмкін. Трансплантация(лат. "transplantare" - көшіріп отырғызу) - жоғарғы өнімді малдардың (донорлар) бір немесе бірнеше эмбрионын алып, өнімі төмен малдарға (рецепиенттерге) салу арқылы жүргізіледі. Трансплантацияны қолдану генетикалық құнды бір аналықтан ондаған есе көп ұрпақ алуға мүмкіндік береді. Трансплантация технологиясы жануарлар өсіп-өну биологиясының зор табыстарына негізделген, оның ішіне мынадай тәсілдер кіреді: * гормондар арқылы суперовуляция (лат."super" - «көп», "ovum" - «жұмыртқа») туғызу; * ұрпақтары бойынша бағаланған аталықтардың ұрығымен донорларды ұрықтандыру; * эмбрионды тауып алу және оның сапасын анықтап, сақтау және рецепиентке көшіріп отырғызу немесе оны сұйық азотта криоконсервациялау (грек. "kryos" - «суық», "conservare" - «сақтау»), еріту және отырғызу. ; ; Ұрықты трансплантациялауды төмендегі мақсаттар үшін пайдаланады: # генетикалық құнды тұлғаларды көбейту үшін; осы әдістің көмегімен жоғарғы өнімді, ауруға төзімді аталық іздері (линиялар) және ұяларды (семейства) шығаруды тездету; # алғашқы эмбриондарды бөлшектеу арқылы ұқсас жануарларды алу. Бұл әдіс генотип- қоршаған орта өзара қатынасын, тұқым қуалаудың шаруашылыққа пайдалы әсерін зерттеуге мүмкіндік береді. Эмбриондарды бөлу технологиясы алынған жарты бластоцистаны терең мұздатып, ал екінші жартысынан жануар өсіруге мүмкіндік береді. Егер аталық (бластоцистаның бір жартысынан алынған) генетикалық жағынан құнды болса, онда оның көшірмесін белгілі бір уақыттан кейін екінші жартысынан өндіруге болады; # аз популяциялардың және тұқымның генофондының мутантты гендерін сақтау; # генетикалық құнды, бірақ бедеу жануарлардан ұрпақ алу; # зиянды рецессивті гендерді және хромосомалық аномалияларды анықтау; # жануарлардың ауруларға төзімділігін арттыру; # ауруларды болдырмау үшін сыртқа шығарылатын және ішке кіргізілетін малдардың орнына бұл мақсаттар үшін олардың криоконсервацияланған ұрықтарын қолдану; # ұрықтың жынысын анықтау және белгілі жыныстағы жануарларды алу; # түр аралық трансплантация; # әртүрлі алғашқы сатыдағы эмбриондардан, әртүрлі жануарлар бластомерлерінен құралған химерлік жануарларды алу. Гендік инженерияны пайдалану Гендік инженерияда гендерді тасымалдау арқылы түраралық кедергілерді жойып, қажетті тұқым қуалайтын белгілерді бір организмнен екіншісіне беру іске асырылады. Инженерия түсінігінің өзі құрастыру деген мағынаны береді. Олай болса, гендік инженерия организмнің жағымды белгілерін сақтай отырып, оған арнайы мақсатта қосымша жаңа қасиет беріп, генотипін қалаған бағытта өзгерту болып табылады. Гендік инженерияны ауыл шаруашылығында, медицинада пайдалану арқылы өсімдіктер, жануарлар мен микроорганизмдердің қажетті гендерінің қызметін басқаруға мүмкіндік туды. Соңғы жылдары гендік инженерияның көмегімен бактериялық клеткадан вирустық ауруларды емдеуге қолданылатын интерферон және өсу гормоны - соматотропин нәруыздарын алуға қол жетті. Қант диабеті ауруын емдеуге қолданылатын инсулин гормонын алудың арзан жолы табылды. Бұрын инсулин жануарлардың ұйқы безінен өте қымбатқа түсетін жолмен алынатын еді. Қазіргі кезде гендік инженерия әдісімен ішек таяқшасы бактериясынан бөлініп алынатын болды. Жануарлар селекциясында гендік инженерияға байланысты австралиялық ғалымдар гендер құрамына өсу гормонының генін енгізе отырып, кәдімгі шошқаға қарағанда екі еседей жылдам өсетін шошқаның жаңа қолтұқымын шығарды. Ағылшын ғалымдары геномына қанның ұюын тездететін ген енгізілген қой алды. Мұндай қойдан бөліп алынған арзанға түсетін препаратты гемофилия ауруын емдеуде қолданады. Бұршақ тұқымдас өсімдіктердің тамыр жүйесінде ауадағы азотты тұтатын қасиеті бар бүйнек бактериялары селбесіп тіршілік ететіні белгілі. Олар топырақты азотты қосылыстармен байытады. Қазіргі кезде осы бактериялардағы азотты тұтатын генді астық тұқымдастар геномына енгізу жұмыстары жүргізілуде. Дереккөздер Сыртқы сілтемелер