Способы получения ГМ микроорганизмов

Способность организмов синтезировать те или иные биомолекулы, в первую очередь белки, закодирована в их геноме. Поэтому достаточно «добавить» нужный ген, взятый из другого организма, в бактерию, которая способна расти в простых условиях и чрезвычайно быстро размножаться. Но попытки провести перенос в бактерии непосредственно геномной ДНК привели к противоречивым результатам.

Только в 70-е годы были получены воспроизводимые результаты с применением так называемой векторной трансформации. В основе этого подхода лежит использование векторных молекул – ДНК, способных переносить содержащиеся в них гены в клетку, где эти молекулы реплицируются автономно или после интеграции с геномом. Решающую роль в этих экспериментах сыграли также методы получения индивидуальных генов, наработка их в необходимом количестве путем клонирования, то есть практически неограниченного размножения в бактериальных клетках.

В основе всех достижений генетической инженерии лежит одна из особенностей строения генома бактерий – наличие у них небольших, отличных от хромосомы, кольцевых молекул ДНК, называемых плазмидами.

Плазмиды широко распространены в природе и встречаются у подавляющего числа прокариотических организмов, а также у низших эукариот –дрожжей. Важным свойством плазмид является их способность реплицироваться (размножаться) вместе с ДНК клетки хозяина, и поэтому в последнее время их считают внутриклеточными паразитами или симбионтами. Клетки хозяина не нуждаются в плазмидах для выживания в обычных условиях, но часто плазмиды придают им ряд особых свойств. Плазмиды придают бактериям способность к половому размножению (F-фактор), устойчивость к антибиотикам и дезинфицирующим средствам (R-фактор), возможности усвоения некоторых сложных органических веществ, например, углеводородов.

Основная масса исследований, которые привели к развитию генной инженерии, проводилась на классическом объекте микробиологов – кишечной палочке Escherichia coli. С помощью специальных ферментов – эндонуклеаз рестрикции, или рестриктаз, плазмида, несущая какой-нибудь маркерный ген, например, ген устойчивости к определенному антибиотику, разрезается в строго определенном месте с образованием с каждой стороны нескольких (от одного до пяти) неспаренных оснований – «липких концов». С помощью таких же рестриктаз получается фрагмент генома организма-донора, несущий нужный ген, например, ген человеческого инсулина. В последнее время донорную ДНК чаще получают путем «пришивания» «липких концов» к молекуле ДНК, полученной путем обратной транскрипции с матричной РНК нужного гена (кДНК). Главную роль здесь играет фермент обратная транскриптаза, или ревертаза, впервые открытая у ретровирусов (таких как ВИЧ и некоторые возбудители злокачественных новообразований – онковирусов). Далее за счет комплиментарного взаимодействия неспаренных оснований «липких концов» происходит включение нужного гена в плазмиду, при этом образуется новая рекомбинантная (гибридная) ДНК. Завершает процесс фермент ДНК-лигаза, которая ковалентно зашивает разрывы в цепях ДНК.

Следующий этап – перенос рекомбинантной плазмиды в бактерию.

Такой процесс – включение чужеродной ДНК в бактериальную клетку носит название трансформации, а молекула ДНК – вектор. Это явление иногда встречается в природе, что говорит о том, что трансформация – это естественный биологический процесс. В естественных условиях трансформация встречается у таких бактерий, как возбудитель пневмонии.

Другой способ построения векторных молекул использует бактериофаги – особую группу вирусов, заражающих исключительно бактерии. Наиболее широкое применение получил бактериофаг. Средняя часть генома этого вируса не несет в себе важных функций и может быть заменена на чужеродный фрагмент ДНК. В настоящее время существует очень много векторов, сконструированных на основе различных плазмид и бактериофагов.

Значительно сложнее подвергнуть генетической модификации эукариотические микроорганизмы, к которым относятся грибы, протисты, растения и животные. Как и у бактерий, у них имеются плазмиды, но использование их в качестве векторов часто оказывается не очень эффективно. Поэтому для того, чтобы возник стабильный трансформант, необходимы два последовательных события: проникновение рекомбинантной ДНК в клетку и ее интеграция в хромосомную ДНК. Такой метод называется интегративной трансформацией. В дальнейшем генно-инженерное конструирование у дрожжей пошло по пути создания кольцевых плазмид с центромерами, особыми участками ДНК, обеспечивающими связь с белками веретена деления и, следовательно, равномерное распределение таких плазмид между двумя клетками во время митоза. Развитие этого подхода привело к созданию целых искусственных мини-хромосом, содержащих, помимо центромерного участка, теломеры на концах, загнутые в виде шпильки, и репликаторы – участки начала репликации ДНК. Подобные минихромосомы могут включать сразу несколько полезных генов, что обеспечивает производство нужной биотехнологической продукции.