Генетические технологии

Рекомбинантная ДНК — это ДНК, созданная путем соединения ДНК из двух различных источников. Генная инженерия — это целенаправленное изменение генетического материала организма — часто путем переноса гена в организм, чтобы ген был экспрессирован (включен для синтеза своего белка).

Переносимый ген можно получить тремя способами:

• вырезать из ДНК донорского организма,
• синтезировать из донорской мРНК с использованием фермента обратной транскриптазы,
• собрать химически из нуклеотидов.

Инструменты

Промотор часто приходится переносить вместе с геном. Промотор — это «выключатель», который позволяет гену быть транскрибированным в новом организме, поэтому без него ген оставался бы неактивным.

Чтобы проверить, что ген попал внутрь и работает, ученые добавляют рядом с ним маркерный ген — например, кодирующий флуоресцентный (светящийся) продукт. Если клетки светятся, перенос удался.

Редактирование генов

Редактирование генов — это точная форма генной инженерии. Оно вставляет, удаляет или заменяет ДНК на точном участке в геноме.

Копирование и сортировка ДНК

• полимеразная цепная реакция (ПЦР) используется для клонирования и амплификации ДНК — для создания миллионов копий. Она повторяет циклы нагревания и охлаждения, используя термостабильный фермент под названием Taq-полимераза.

• гель-электрофорез разделяет фрагменты ДНК по длине. Фрагменты движутся через гель в электрическом поле, и короткие фрагменты проходят дальше, поэтому длины распределяются в виде полос.

• микромассивы используются для изучения целых геномов и выявления того, какие гены активированы, путем захвата их мРНК.
• базы данных хранят нуклеотидные последовательности генов и аминокислотные последовательности белков, поэтому ученые в любой точке мира могут их сравнивать.

Рекомбинантные человеческие белки

Человеческий ген можно поместить в бактерии или другие клетки, чтобы они производили рекомбинантный человеческий белок — точную копию человеческого. Это безопаснее, никогда не бывает дефицита и позволяет избежать использования белков, полученных из животных или доноров. Примеры: инсулин (при сахарном диабете), фактор VIII (при гемофилии) и аденозиндезаминаза (при нарушении работы иммунной системы).

Генетическое скрининговое тестирование

Генетическое скрининговое тестирование проверяет ДНК человека на наличие аллелей заболеваний до появления симптомов. Примеры: аллели BRCA1 и BRCA2 (повышающие риск рака молочной железы), болезнь Хантингтона и цистический фиброз. Знание результата помогает людям принимать осознанные решения о лечении и планировании семьи.

Генная терапия

Генная терапия лечит генетическое заболевание, вводя рабочую копию гена в клетки пациента. Она применялась при SCID (заболевании, при котором отказывает иммунная система) и некоторых наследственных заболеваниях глаз.

Социальные и этические вопросы

Генетическое скрининговое тестирование и генная терапия вызывают обеспокоенность: кто должен иметь доступ к вашим генетическим результатам, могут ли страховые компании или работодатели использовать их во вред, являются ли изменения безопасными и необратимыми, и кто принимает решения. Эти этические и социальные вопросы должны взвешиваться наряду с преимуществами.

Генная инженерия может помочь прокормить растущее население за счет улучшения сельскохозяйственных животных и культур. Примеры генетически модифицированных организмов (ГМО):

• GM-лосось, который растет до товарного размера быстрее.
• соя, сделанная устойчивой к гербициду, что позволяет опрыскивать сорняки без вреда для урожая.
• хлопок, устойчивый к насекомым-вредителям, поскольку он вырабатывает белок, убивающий насекомых.

ГМО также поднимают этические и социальные вопросы: безопасны ли они для употребления в пищу, какое влияние оказывают на окружающую среду и дикие виды, могут ли измененные гены распространяться и должны ли несколько крупных компаний контролировать продовольственные поставки.

Разобранный пример. Небольшой образец ДНК с места преступления необходимо амплифицировать, а затем сравнить с образцом подозреваемого. Опишите две техники и то, чего достигает каждая. ПЦР копирует ДНК в повторяющихся циклах: денатурация при примерно $95\ °\text{C}$ разделяет цепи, аннеaling при примерно $55\ °\text{C}$ позволяет праймерам связываться на каждом конце целевой области, и удлинение при примерно $72\ °\text{C}$ обеспечивает Taq-полимераза синтез новых цепей. Каждый цикл удваивает количество, поэтому $n$ циклов дают $2^n$ копий — 30 циклов превращают одну молекулу примерно в миллиард. Затем гель-электрофорез разделяет фрагменты: ДНК имеет отрицательный заряд из-за своих фосфатных групп, поэтому движется к аноду, а короткие фрагменты проходят дальше через гель. Совпадение полос указывает на один источник. Taq-полимераза используется, потому что она термостабильна — обычная полимераза претерпела бы денатурацию при $95\ °\text{C}$ уже в первом цикле.

• Опишите набор инструментов: рестрикционные ферменты (разрезают по специфическим последовательностям, «липкие» концы), лигаза (соединяет), плазмидные векторы и ПЦР (амплификация).
• Объясните гель-электрофорез: ДНК разделяется по размеру, более мелкие фрагменты проходят дальше — используется в генетической дактилескопии.
• Привести сбалансированное преимущество против опасения для ГМО и генной терапии.