Что значит генетические технологии

Генетические технологии: пугающие мифы и борьба с реальными опасностями

Современная генетика одна из самых обсуждаемых наук. С того момента как ученые научились редактировать генетическую информацию, во всем мире не утихают споры о допустимости применения генетических технологий. Идут споры в научном сообществе. Популярные СМИ пугают читателей и зрителей «непредсказуемыми последствиями». Политики и общественные деятели некоторых стран выступают за запрет ГМО. Общественность обсуждает допустимость попыток вмешательства в ДНК человека.

Генетические технологии – мировой рынок, растущий «как на дрожжах»

Несмотря на споры и скандалы, во всем мире продолжаются научные исследования и постоянно растут инвестиции в генетические технологии. По оценкам международных консалтинговых компаний, к 2027 году только рынок CRISPR-технологий, позволяющих направленно редактировать геномы, достигнет 10 млрд долларов США.

В России развитие инновационных генетических технологий осуществляется в рамках Федеральной научно-технологической программы генетических технологий на 2019-2027 годы. «Основными задачами программы является получение и внедрение результатов, необходимых для создания генетических технологий, в том числе технологий генетического редактирования, а также снижение критической зависимости российской науки от иностранных баз генетических и биологических данных, иностранного специализированного программного обеспечения и приборов», – сообщили в Министерстве науки и высшего образования Российской Федерации.

Причина такой заинтересованности государств в ускоренном развитии генетических технологий – в широком спектре их возможного применения. Первой в голову, конечно же, приходит возможность редактирования генома человека и все связанные с ней ужасы, красочно описанные научными фантастами. Реальность гораздо менее пугающа, хотя и не менее фантастична. Развитие генетических технологий позволит в том числе обеспечить разработки биологических препаратов, диагностических систем и иммунобиологических средств для сферы здравоохранения, биотехнологий для сельского хозяйства и промышленности, а также усовершенствовать меры по предупреждению чрезвычайных ситуаций биологического характера и осуществлению контроля в этой области.

По словам заведующего Лабораторией геномной инженерии МФТИ Павла Волчкова, «современная генетика перестает быть лабораторной наукой, когда ученые в белых халатах что-то изучают в пробирках. Генная инженерия движется в сторону анализа больших данных (big data) – и предсказания эффектов терапии.

Лично я хотел бы, чтобы через пять лет в России появилось пять новых мощных компаний, которые смогут успешно выйти на мировой рынок и на своем примере показать другим российским компаниям, что это очень большой и перспективный рынок. А создание четких и для всех понятных „правил игры“ приведет на этот рынок частных инвесторов».

Генетика против эпидемии ожирения и диабета

Помимо разрабатываемой Программы развития генетических технологий в России уже реализуется Приоритетный национальный проект «Наука», одной из целей которого является создание в России трех центров геномных исследований мирового уровня к 2020 году.

Важную роль в развитии генетических технологий России также играют университеты – участники программы повышения конкурентоспособности ведущих российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров, Проекта 5-100.

Так, в рамках реализации Проекта 5-100 в Сеченовском университете созданы лаборатории генно-терапевтических вакцин и Лаборатория клинической геномной биоинформатики. В Университете Лобачевского с февраля 2018 года в рамках стратегической академической единицы (САЕ) по медицине действует кафедра общей и медицинской генетики. В Сибирском федеральном университете в рамках Проекта 5-100 была открыта Лаборатория лесной геномики.

Среди задач, которые решают генетики университетов Проекта 5-100, – разработка вакцин нового типа, борьба против эпидемии ожирения и сахарного диабета второго типа (инсулиннезависимого) среди взрослых и детей.

По данным Европейского бюро ВОЗ, с 1980-х годов распространенность ожирения во многих странах Европы выросла в три раза. В некоторых странах Европы каждый третий ребенок в возрасте 11 лет имеет избыточную массу тела или страдает ожирением.

Как рассказал руководитель отдела геномной медицины ФГБНУ «НИИ АГиР им. Д.О. Отта», заведующий лабораторией биобанкинга и геномной медицины СПбГУ, профессор-исследователь БФУ им. И. Канта Андрей Глотов, «можно было бы предположить, что рост первичной заболеваемости сахарным диабетом в тех регионах, где он ранее был ниже среднего значения по стране, связан с наличием определенных аллелей. Но вероятность того, что такие генетические изменения произошли за несколько десятков лет, крайне мала.

Намного вероятнее то, что рост числа заболеваний связан с изменением рациона питания и состава микробиоты (бактерий, живущих в желудочно-кишечном тракте). Собрано уже много свидетельств того, что измененный состав микробиоты приводит к риску развития ожирения, в том числе у детей».

По словам профессора, «самая простая коррекция генетических дефектов – это не генное редактирование, не генная терапия, а генетически обоснованная коррекция рациона».

Совокупный анализ генома человека и его микробиоты позволит относить людей к группам риска и, соответственно, формировать для них индивидуальные диеты.

«Мы в БФУ проводим исследования микробиоты, а наши партнеры изучают генетику пациентов с диабетом. В будущем мы планируем объединить наши результаты для генерации общих знаний и создания программ коррекции питания. Затем хотим подключить к нашей работе компании по производству аутопробиотиков», – сказал профессор Глотов.

Развитие биобанков позволит длительное время хранить микробиоту, взятую у детей. Это даст возможность каждому человеку, чья микрофлора есть в банке, получить для себя аутопробиотики. Принимая аутопробиотики, человек может восстанавливать микрофлору своего желудочно-кишечного тракта до того состояния, когда она была нормальной.

Профессор Глотов считает, что сегодня достижения генетики «уже позволяют предупреждать развитие диабета у пациентов с предрасположенностью, но без ожирения; разрабатывать протоколы по предотвращению диабета у пациентов с ожирением и значительно улучшать качество жизни пациентов с диабетом».

Прорывные генетические технологии могут также помочь в решении проблемы онкологических заболеваний. Над этой задачей бьются в совместной лаборатории КФУ-РИКЕН «Функциональная геномика», основной фокус которой – биомедицинские исследования в области онкогенетики и фармакогенетики для поиска новых перспективных диагностических решений по оптимизации терапии.

Защита биоразнообразия: от спасения насекомых до клонирования мамонтов

В начале 2018 года группа исследователей из 18 стран мира организовала международный консорциум по изучению и сохранению биоразнообразия Земли Bio2Bio. Один из его организаторов, руководитель центра геномной и регенеративной медицины ДВФУ Александр Каганский тогда заявлял: «За последние 40 лет потеряно больше половины видов, которые были на Земле».

Могут ли генетики спасти вымирающие виды или даже восстановить уже утраченные? Судя по заявлениям американского генетика George Church из Гарварда, известного не только работами по прямому секвенированию генома, но и амбициозным проектом по «клонированию шерстистого мамонта», современные ученые вполне серьезно рассматривают такую возможность.

Как считает Каганский: «Клонирование мамонта – очень интересный мирный научный проект, сплотивший ведущих теоретиков и экспериментаторов разных стран. Его реализация поможет широко популяризовать и генетику, и науку вообще, подкрепит человечество в надежде на возобновляемость видов».

«Очень важно, что сейчас с помощью генетики уже можно придумать, как, например, искоренить энцефалит или болезнь Лайма. У генетиков появился шанс дать людям возможность наслаждаться природой без риска стать инвалидами или умереть после укуса клеща», – говорит Каганский.

Генетика и глобальные проблемы человечества

Как отмечает научный руководитель Научно-образовательного центра геномных исследований Сибирского федерального университета, ведущий научный сотрудник Института общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук, профессор Техасского агромеханического университета (США) и Гёттингенского университета (Германия) Константин Крутовский: «Сейчас нет отдельно российской, китайской или какой-либо другой национальной генетики. Наука в своей основе интернациональна, а проблемы в большинстве своем общие. Есть, конечно, некоторые специфические национальные проблемы, но генетика, как и наука в целом, в наше время едина и глобализирована».

По мнению профессора Крутовского, развитие генетики (и конкретно генной инженерии) имеет большое значение для преодоления глобальных проблем современности, таких как снижение биоразнообразия; проблема сердечно-сосудистых, онкологических заболеваний и СПИДа; голод (недостаток продовольствия) и другие.

Но «нужно учитывать, что все перечисленные проблемы комплексные. Например, проблема заболеваний – это не только генетическая предрасположенность, которую сейчас уже можно предсказывать и корректировать для многих заболеваний, но это результат состояния среды, в которой мы обитаем, качества и образа нашей жизни.

Проблема снижения биоразнообразия – это тоже комплексная проблема, и, соответственно, решаться она должна комплексно: и экологически, и законодательно, и социально», – отмечает Крутовский.

Многие ученые согласны с тем, что решение глобальных проблем зависит не только от развития науки и технологий, но еще и от степени ответственности людей, которые осуществляют хозяйственную деятельность на нашей планете и принимают глобальные решения в экономике.

Источник

Что такое генная инженерия и на что она способна

Генная инженерия — это современное направление биотехнологии, объединяющее знания, приемы и методики из целого блока смежных наук — генетики, биологии, химии, вирусологии и так далее — чтобы получить новые наследственные свойства организмов.

Перестройка генотипов происходит путем внесения изменений в ДНК (макромолекулу, обеспечивающую хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) и РНК (одну из трех основных макромолекул, содержащихся в клетках всех живых организмов).

Если внести в растение, микроорганизм, организм животного или даже человека новые гены, можно наделить его новой желательной характеристикой, которой до этого он никогда не обладал. С этой целью сегодня генная инженерия используется во многих сферах. Например, на ее основе сформировалась отдельная отрасль фармацевтической промышленности, представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии.

История развития

Истоки

Основы классической генетики были заложены в середине XIX века благодаря экспериментам чешского-австрийского биолога Грегора Менделя. Открытые им на примере растений принципы передачи наследственных признаков от родительских организмов к их потомкам в 1865 году, к сожалению, не получили должного внимания у современников, и только в 1900 году Хуго де Фриз и другие европейские ученые независимо друг от друга «переоткрыли» законы наследственности.

Параллельно с этим шел процесс формирования знаний о ДНК. Так, в 1869 году швейцарский биолог Фридрих Мишер открыл факт существования макромолекулы, а в 1910 году американский биолог Томас Хант Морган обнаружил на основе характера наследования мутаций у дрозофил, что гены расположены линейно на хромосомах и образуют группы сцепления. В 1953 году было сделано важнейшее открытие — американец Джон Уотсон и британец Фрэнсис Крик установили молекулярную структуру ДНК.

На подъеме

К концу 1960-х годов генетика активно развивалась, а ее важными объектами стали вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов, а в 1970-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК.

Генная инженерия как отдельное направление исследовательской работы зародилась в США в 1972 году, когда в Стэнфордском университете ученые Пол Берг, Стэнли Норман Коэн, Герберт Бойер и их научная группа внедрили новый ген в бактерию кишечной палочки (E. coli), то есть создали первую рекомбинантную ДНК.

Техника ПЦР была впервые разработана в 1980-х годах американским биохимиком Кэри Маллисом. Будущий лауреат Нобелевской премии по химии (1993 года), обнаружил в специфический фермент — ДНК-полимеразу, который участвует в репликации ДНК. Этот фермент буквально считывает отрезки цепи нуклеотидов молекулы и использует их в качестве шаблона для последующего копирования генетической информации.

Новая эра

В 1996 году методом пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки на свет появилось первое клонированное млекопитающее — овца Долли. Это событие стало революционным в истории развития генной инженерии, потому что впервые стало возможным серьезно говорить о создании клонов и выращивании живых организмов на основе молекул.

Технологии генной инженерии

Генная инженерия за короткий срок оказала огромное влияние на развитие различных молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться на пути познания генетического аппарата.

Так, появилась технология CRISPR — инструмент редактирования генома. В 2014 году MIT Technology Review назвал его «самым большим биотехнологическим открытием века». Он основан на защитной системе бактерий, которые производят специальные ферменты, позволяющие им защищаться от вирусов.

«Каждый раз, когда бактерия убивает вирус, она разрезает остатки его генома, будь то ДНК или РНК, и сохраняет их внутри последовательности CRISPR, как в архив. Как только вирус атакует снова, бактерия использует информацию из «архива» и быстро производит защитные белки Cas9, в которых заключены фрагменты генома вируса. Если вдруг эти фрагменты совпадают с генетическим материалом нынешнего атакующего вируса, Cas9 как ножницами разрезает захватчика, и бактерия снова в безопасности», — поясняет Алевтина Федина, медицинский директор Checkme.

Уникальное открытие состоялось в 2011 году, когда биологи Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье обнаружили, что белок Cas9 можно обмануть. Если дать ему искусственную РНК, синтезированную в лаборатории, то он, найдя в «архиве» соответствие, нападет на нее. Таким образом, с помощью этого белка можно резать геном в нужном месте — и не просто резать, а еще и заменять другими генами.

Теоретически, технология CRISPR может позволить редактировать любую генетическую мутацию и излечивать заболевание, которое она вызывает. Но практические разработки CRISPR в качестве терапии еще только в начальной стадии, и многое еще непонятно.

Есть и другие методы генной инженерии, например, ZFN и TALEN.

• ZFN разрезает ДНК и вставляет туда заготовленный заранее новый фрагмент с помощью белков с ионами цинка (отсюда название — Zinc Finger Nuclease).
• TALEN делает то же самое, только используя TAL-белки. Для обеих технологий приходится создавать отдельные белки, а это очень долгая работа, поэтому пока два этих метода особого применения не нашли.

Где и как применяется генная инженерия

Медицина

Уже сейчас активно применяется инсулин человека (хумулин), полученный посредством рекомбинантных ДНК. Клонированные гены человеческого инсулина были введены в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали. С 1982 года компании США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин.

Кроме того, несколько сотен новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику. Среди лекарств, находящихся в стадии клинического изучения, препараты, потенциально лечащие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, онкологию и СПИД. Среди нескольких сотен генно-инженерных компаний 60% заняты именно разработкой и производством лекарственных и диагностических средств.

«В медицине среди достижений генной инженерии сегодня можно выделить терапию рака, а также другие фармакологические новинки — исследования стволовых клеток, новые антибиотики, прицельно бьющие по бактериям, лечение сахарного диабета. Правда, пока все это на стадии исследований, но результаты многообещающие», — говорит Алевтина Федина.

Сельское хозяйство

В сельском хозяйстве одна из важнейших задач генной инженерии — получение растений и животных, устойчивых к вирусам. В настоящее время уже есть виды, способные противостоять воздействию более десятка различных вирусных инфекций.

Еще одна задача связана с защитой растений от насекомых-вредителей. Путем генетической модификации растений можно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами. Например, трансгенные растения картофеля и томатов стали устойчивы к колорадскому жуку, растения хлопчатника — к разным насекомым, в том числе и к хлопковой совке.

Использование генной инженерии позволило сократить применение инсектицидов (препаратов для уничтожения насекомых) на 40–60%.

Благодаря генной инженерии зерновые культуры стали более устойчивы к климатическим условиям, кроме того появилась возможность увеличить количество витаминов и полезных веществ в продукте. Например, можно обогатить рис витамином «А» и выращивать его в тех регионах, где люди имеют массовую нехватку этого элемента.

С помощью генной инженерии пытаются решить и экологические проблемы. Так, уже созданы особые сорта растений с функцией очистки почвы. Они поглощают цинк, никель, кобальт и иные опасные вещества из загрязненных промышленными отходами почв.

Скотоводство

В Кемеровской области работа генетиков позволила получить устойчивое к вирусу лейкоза племенное поголовье высокопродуктивных животных. Для проведения эксперимента кузбасские ученые отобрали здоровых коров черно-пестрой породы массой до 500 кг. Животным трансплантировали модифицированные эмбрионы, устойчивые к вирусу лейкоза. В середине сентября 2020 года родилось 19 телят с измененными генами.

«В месячном возрасте была проведена оценка, которая показала, что телята отличаются от своих сверстников только устойчивостью к вирусу. Пять особей отобрали для дальнейшей селекционной работы. Это позволит закрепить наследственные признаки устойчивости к вирусу лейкоза у последующих поколений», — пояснила руководитель проекта, доктор биологических наук, профессор кафедры зоотехнии Кузбасской ГСХА Татьяна Зубова.

По словам Зубовой, лейкоз крупного рогатого скота — вирусная хронически неизлечимая болезнь, при которой возникают поражение кроветворной системы и новообразования. Данное заболевание наносит значительный ущерб генофонду пород и мясной промышленности в целом, потому что мясо зараженных животных запрещено употреблять в пищу. Единственным доступным методом борьбы с лейкозом ранее было только уничтожение зараженного скота.

Этот успех позволяет говорить о том, что в дальнейшем будет возможно редактировать гены крупного рогатого скота и от других болезней.

С прицелом на человека

В 2009 году группа ученых под руководством молодого исследователя Джея Нейтца из Вашингтонского университета сумели с помощью генной терапии вернуть обезьянам способность различать оттенки зеленого и красного, которой они были лишены от рождения.

В область сетчатки глаза двух подопытных обезьян был введен безвредный вирус, несущий недостающий ген фоточувствительного рецептора. Вскоре после процедуры обе обезьяны начали различать оттенки красного и зеленого на сером фоне. Два года наблюдения не выявили у них каких-либо нарушений, поэтому ученые не исключают, что данную методику уже вскоре можно будет применять у людей, страдающих дальтонизмом.

Ученые шагнули еще дальше и уже пробуют выращивать в теле животных органы для трансплантации людям. Для минимизации риска отторжения тканей животным вводят специальные гены. Этими опытами занимается научная лаборатория Рослинского института в Великобритании, которая представила миру овцу Долли.

В 2019 году британские ученые вывели кур, яйца которых содержат два вида человеческих белков, способных противодействовать артриту и некоторым видам онкологических заболеваний. В яйцах содержится человеческий белок под названием IFNalpha2a, обладающий мощными противовирусными и противораковыми свойствами, а также человеческий и свиной вариант белка под названием макрофаг-CSF, который планируют использовать для создания препарата, стимулирующего самостоятельное заживление поврежденных тканей.

Изменение ДНК человека

Первые клинические испытания методов генной терапии были предприняты 22 мая 1989 года с целью генетического маркирования опухоль-инфильтрующих лимфоцитов в случае прогрессирующей меланомы.

14 сентября 1990 года в Бетесде (США) четырехлетней девочке, страдающей наследственным иммунодефицитом, обусловленным мутацией в гене аденозиндезаминазы (АDA), были пересажены ее собственные лимфоциты.

Работающая копия гена ADA была введена в клетки крови с помощью модифицированного вируса, в результате чего клетки получили возможность самостоятельно производить необходимый белок. Через шесть месяцев количество белых клеток в организме девочки поднялось до нормального уровня.

После этого область генной терапии получила толчок к дальнейшему развитию. С 1990-х годов сотни лабораторий ведут исследования по использованию генной терапии для лечения различных заболеваний. Уже сегодня с помощью генной терапии можно лечить диабет, анемию и некоторые виды онкологии.

Источник