Генно инженерство

Генното инженерство, наричано също рекомбинантна ДНК технология, включва група от техники, използвани за разрязване и обединяване на генетичен материал и за въвеждане на получената хибридна ДНК в организма, за да се образуват нови комбинации от наследствен генетичен материал. Терминът "генно инженерство" за първи път е създаден от Джак Уилямсън в неговия научно-фантастичен роман "Драконов остров", публикуван през 1951 г., една година преди ролята на ДНК в наследствеността да бъде потвърдена от Алфред Хърши и Марта Чейз и две години преди Джеймс Уотсън и Франсис Крик да представят моделът на ДНК молекулата.

През 1972 г. Пол Берг създава първите рекомбинантни ДНК молекули, а през 1973 г. Херберт Бойер и Станли Коен създават първия трансгенен организъм чрез вмъкване на гени за антибиотична резистентност в плазмида на бактериято Ешерихия коли. Година по-късно Рудолф Йениш създава трансгенна мишка чрез въвеждане на чужда ДНК, което я прави първото трансгенно животно в света.

В най-опростената форма на генно инженерство, молекулярният биолог може да комбинира молекулите на ДНК от различни организми, кодиращи различни свойства. Най-често манипулирането на ДНК in vitro изисква първо изолиране на ДНК от клетки, разцепване на ДНК със специфични рестрикционни ендонуклеазни ензими, смесване на две независими ДНК участъци и свързване на ДНК молекулите с ДНК лигаза. Накрая, повторно въвеждане на ДНК в клетките и идентифициране на клетките, които носят новосъздадените ДНК молекули.

Генното инженерство включва манипулиране или промяна на гените на организма с помощта на биотехнология. rDNA технологията е основен генетичен метод, който се прилага при производството на фармацевтични продукти, по-специално на терапевтични протеини като инсулин, човешки серумен албумин, ваксина срещу човешки папиломавирус и ваксина срещу хепатит В. rDNA технологията включва изолиране на необходимия ген, вмъкване на гена в клониращ вектор и позволяване на генния продукт да бъде експресиран в подходящ гостоприемник. Няколко основни стъпки са неразделна част от този процес, те включват изолиране на нуклеинова киселина, гел електрофореза, ДНК хибридизация и ДНК секвениране. Тези техники се фокусират върху получаването и потвърждаването на идентичността на желания ген. Други техники като PCR и ДНК клониране имат за цел да амплифицират гени или експресират протеини, кодирани от желания ген.

Създаването на продукт на генното инженерство е многоетапен процес. Генетичните инженери трябва първо да изберат какъв ген да вмъкнат в организма. Развитието на микрочиповете, транскриптомиката и секвенцията на генома прави много по-лесно намирането на подходящи гени.

Генна изолация и клониране

Клетката, съдържаща желания ген се пределя и нейното ДНК се пречиства. Генът се разделя чрез използване на рестрикционни ензими за рязане на ДНК на фрагменти или се прилага полимеразна верижна реакция (PCR) за амплифициране на генния сегмент. Тези сегменти могат след това да бъдат екстрахирани чрез гел електрофореза. Ако избраният ген или геномът на донорния организъм е добре проучен, той вече може да бъде достъпен в генетична библиотека. Ако ДНК последователността е известна, но няма копия на гена, тя също може да бъде синтезирана изкуствено. Веднъж изолиран генът се лигира в плазмид, който след това се вмъква в бактерия. Плазмидът се възпроизвежда по време на бактериалното делене като се осигуряват неограничени копия на гена.
Преди генът да бъде вкаран в целевия организъм той трябва да бъде комбиниран с други генетични елементи. Те включват промотор и терминатор, които съответно инициират и завършват процеса.

Вмъкване на ДНК в генома на гостоприемника

Съществуват редица техники, използвани за вмъкване на генетичен материал в генома на гостоприемника. Някои бактерии могат естествено да поемат чужда ДНК. Тази способност може да бъде индуцирана в други бактерии чрез стрес (например термичен или електрическен), което увеличава пропускливостта на клетъчната мембрана към ДНК. Взетата ДНК може или да се интегрира с генома, или да съществува като екстрахромозомна ДНК. ДНК обикновено се вкарва в животински клетки с помощта на микроинжекция, с която може да се инжектира през ядрената обвивка на клетката директно в ядрото или чрез използване на вирусни вектори.

Други методи включват биолистиката, където частиците от злато или волфрам са покрити с ДНК и след това се изстрелват в млади растителни клетки и електропорация, което включва използване на електричен ток, за да се направи клетъчната мембрана пропусклива за плазмидна ДНК. Поради увреждането, причинено на клетките и ДНК, ефективността на трансформацията на биолистиката и електропорацията е по-ниска от микроинжекцията.
Тъй като само една клетка се трансформира с генетичен материал, организмът трябва да се възстанови от тази единична клетка. При растенията това се постига чрез използване на част от растителна култура. При животни е необходимо да се гарантира, че вмъкнатата ДНК присъства в ембрионалните стволови клетки. Бактериите се състоят от една клетка и се размножават, така че регенерацията не е необходима.

Използват се избираеми маркери за лесно диференциране на трансформирани от нетрансформирани клетки. Тези маркери обикновено присъстват в трансгенния организъм, въпреки че са разработени редица стратегии, които могат да отстранят селективния маркер от зрялото трансгенно растение.

Генното инженерство има много приложения в медицината, които включват производството на лекарства, създаване на моделни животни,с цел проучване на човешки заболяванея и генна терапия. Едно от най-ранните приложения на генното инженерство е масовото производство на човешки инсулин в бактерии и също бива приложено при човешки хормони на растежа, фоликулостимулиращи хормони (за лечение на безплодие), човешки албумин, моноклонални антитела, антихемофилни фактори, ваксини и много други лекарства. През 2017 г. генното инженерство на химерни антигенни рецептори на собствените Т-клетки на пациента беше одобрено като лечение на острата лимфобластна левкемия.

Генетично модифицираните мишки са най-разпространеният генетично модифициран животински модел. Те са били използвани за изследване и моделиране на рак (oncomouse), затлъстяване, сърдечни заболявания, диабет, артрит, злоупотреба с вещества, безпокойство, стареене и болест на Паркинсон. Потенциалните лечения могат да бъдат тествани спрямо тези модели на мишки.

Генното инженерство може потенциално да лекува тежки генетични нарушения при хората, като замени дефектния ген с функциониращ. Това е важен инструмент в изследванията, който позволява изучаването на функцията на специфични гени. ДНК може да бъде въведена директно в организма на гостоприемника или в клетка, която след това е кондензирана или хибридизирана с гостоприемника. Това разчита на рекомбинантни техники на нуклеинова киселина за образуване на нови комбинации от наследствен генетичен материал, последвано от включване на този материал или индиректно чрез векторна система или директно чрез микроинжектиране, макро-инжектиране или микро-капсулиране.