Генная инженерия и биоэтика

Генная инженерия - область молекулярной генетики, возникшая в 70-х годах XX в и связанная с разработкой методов получения генов или генетических структур и внедрением их в новое генетическое окружение с целью создания живых организмов с новыми заранее предопределенными признаками.

Генная инженерия предполагает использование научных биологических методов изменения и преобразования генетического материала с целью изменения каких-либо черт наследственности.

В 1953 г. был зафиксирован колоссальный прорыв науки в познании структуры живой материи. Американский ученый Дж. Уотсон (р. 1928) и английский ученый Ф. Крик (р. 1916) раскрыли структуру носителя наследственности всего живого на Земле - ДНК. Была раскрыта величайшая тайна природы - зашифрованная программа наследственности.

Способ, которым молекулы ДНК сохраняют и передают информацию, необходимую живому организму для построения белков и выполнения определенных биохимических функции, получил название генетического кода. Каждый из примерно 100 000 генов человеческого организма состоит из четырех одинаковых оснований: аденина (А), цитозина (С), гуанина (G) и тимина (Т), расположенных в определенной последовательности, которая и определяет функцию того или иного гена. Характер наследственности записывается с помощью букв генетического кода (A,C,G,T), повторяющихся многие миллионы раз в разных сочетаниях вдоль нитей ДНК. Перечисленные четыре основания всегда соединяются попарно и создают две нити молекулы ДНК, имеющие вид скрученной спирали, называемой двойной спиралью. Ученые, расшифровав генетический код, смогли проникнуть в информацию, записанную на нитях ДНК. В этом коде имеется четкое химическое описание определенного живого организма: гены управляют химизмом жизненных процессов и определяют все врожденные характеристики организма - от группы крови до цвета глаз.

В геноме каждого человека должны быть какие-то области, определяющие его индивидуальность. Поиски таких областей велись учеными всего мира очень давно, однако, решение проблемы долго не давалась. Некоторые гены так устроены, что отличаются у человека и крысы всего несколькими нуклеотидами - знаками генетического кода. Другие гены существенно различаются у человека и крысы, но совершенно одинаковы у двух людей. Изменчивость, связанная с существованием генов, подобных генам группы крови у человека, также не объясняет огромного разнообразия природных белков.

В 1985 г. поиски индивидуальных последовательностей ДНК, наконец, увенчались успехом. Были обнаружены в геноме человека особые сверхизменчивые участки - мини-сателлиты. Такие мини-сателлитные ДНК оказались настолько индивидуальны у каждого человека, что с их помощью удалось получить как бы "портрет" его ДНК, точнее, определенных генов.

Как же выглядит этот "портрет". Это сложное сочетание темных и светлых полос, похожее на слегка размытый спектр, или на клавиатуру из темных и светлых клавиш разной толщины. Такое сочетание полос называют ДНК-отпечатками по аналогии с отпечатками пальцев. Иногда также говорят: "ДНК-профиль". Оказалось, что с помощью отпечатков ДНК можно провести идентификацию личности гораздо более успешную, чем это позволяли сделать традиционные методы отпечатков пальцев и анализ крови. Причем ответ экспертизы будет не "возможно", а "да, это он". Вероятность ошибки - одна на несколько миллиардов. Неудивительно, что новым открытием немедленно воспользовались криминалисты. Открытие, сделанное на самом острие современной науки, было быстро и очень эффективно применено на практике.

Сейчас и в России, и за рубежом генетическая экспертиза прочно вошла в жизнь криминалистики. Ученые оказывают помощь следствию в самых сложных, запутанных судебных делах, где остальные методы отказываются работать.

Оказалось, что с помощью ДНК-отпечатков можно расследовать преступления не только настоящего времени, но и глубокого прошлого.

Генетические экспертизы по установлению отцовства - наиболее частый повод обращения судебных органов к генетической дактилоскопии. В судебные учреждения обращаются мужчины, сомневающиеся в своем отцовстве, и женщины, желающие получить развод на основании того, что их муж не отец ребенка. Идентификацию материнства можно проводить по отпечаткам ДНК матери и ребенка в отсутствие отца, и, наоборот, для установления отцовства достаточно ДНК-отпечатков отца и ребенка. При наличии же материала матери, отца и ребенка ДНК-отпечатки выгладят не сложнее, чем картинка из школьного учебника: каждая полоса, на ДНК-отпечатке ребенка может быть «адресована» либо отцу, либо матери.

Генетиков всего мира интересуют сейчас прикладные аспекты генетической дактилоскопии. Обсуждаются вопросы паспортизации по отпечаткам ДНК преступников-рецидивистов, введения в картотеки следственных органов данных об отпечатках ДНК наряду с описанием внешности, особых примет, отпечатков пальцев.

Как только - исследователи научились понимать генетический код, неизбежным следующим шагом было попытаться изменить этот код - совершить инженерное вмешательство в генетику. При получении рекомбинаторных ДНК используются специализированные ферменты, позволяющие "отрезать" ген, взятый из одного организма, и вживить его в другой. Если такой перенос будет успешным, то организм получит информацию, содержащуюся в новом гене.

Сущность методов генной инженерии сводится к внедрению в микроорганизм (чаще прокариотный) гена другого живого организма, в результате чего клетка микроорганизма начинает синтезировать не свойственные ей белки, например, подобным образом получены инсулин, интерферон, гормон роста.

Одним из перспективных направлений генной инженерии является культивирование генов больных и здоровых людей в клетках других живых организмов с целью изучения молекулярных основ наследственных заболеваний человека.

Путем вмешательства человека в конструкцию ДНК были улучшены или изменены свойства десятков животных и растений, имевшие целью, например, повышение урожайности сельскохозяйственных культур и улучшение пород скота.

Первым с помощью генной инженерии был получен инсулин, затем интерферон, потом гормон роста. Позже сумели изменить наследственность свиньи, чтобы она не наращивала столько жира, коровы - чтобы ее молоко не скисало так быстро, кофе без кофеина, помидора с большим сроком хранения, «энергетическая ива» (ива с большой способностью восстанавливать поросль, которая поглощает в процессе фотосинтеза большее количество углекислого газа, чем выделяется при её горении, таким образом, она представляет собой экологически чистое и экономически выгодное топливо.). Благодаря вмешательству человека в конструкцию ДНК были улучшены или изменены качества десятков животных и растений.

Каким же образом получаются измененные (трансгенные) растения и животные?

Более четверти века назад были открыты ферменты рестриктазы, разделяющие длинную молекулу ДНК на отдельные участки - гены, причем эти кусочки приобретают «липкие» концы, позволяющие им встраиваться в разрезанную такими же рестриктазами чужую ДНК.

Самый распространенный способ внедрения чужих генов в наследственный аппарат растений - с помощью болезнетворной для растений бактерии Agrobacterium tumefaciens (в буквальном переводе с латыни - полевая бактерия, вызывающая опухоли). Эта бактерия умеет встраивать в хромосомы заражаемого растения часть своей ДНК, которая заставляет растение усилить производство гормонов, и в результате, некоторые клетки бурно делятся, возникает опухоль. В опухоли бактерия находит для себя отличную питательную среду и размножается. Для генной инженерии специально выведен штамм агробактерии, лишенный способности вызывать опухоли, но сохранивший возможность вносить свою ДНК в растительную клетку. Нужный ген вклеивают с помощью рестриктаз в кольцевую молекулу ДНК бактерии, так называемую плазмиду. Эта же плазмида несет ген устойчивости к антибиотику. Лишь очень небольшая доля таких операций оказывается успешной.

Те бактериальные клетки, которые примут в свой генетический аппарат «прооперированные» плазмиды, получат кроме нового полезного гена устойчивость к антибиотику, Их легко будет выявить, полив культуру бактерий антибиотиком, - все прочие клетки погибнут, а удачно получившие нужную плазмиду размножатся. Теперь этими бактериями заражают клетки, взятые, например, из листа растения. Опять приходится провести отбор на устойчивость к антибиотику: выживут лишь те клетки, которые приобрели эту устойчивость от плазмид агробактерии, а значит, получили и нужный нам ген.

Дальнейшее - дело техники, ботаники уже давно умеют вырастить целое растение из практически любой его клетки.

Однако этот метод «работает» не на всех растениях: агробактерия, например, не заражает такие важные пищевые растения, как рис, пшеница, кукуруза. Поэтому разработаны и другие способы. Например, можно ферментами растворить толстую клеточную оболочку растительной клетки, мешающую прямому проникновению чужой ДНК, и поместить такие очищенные клетки в раствор, содержащий ДНК и какое-либо химическое вещество, способствующее ее проникновению в клетку (чаще всего применяется полиэтиленгликоль). Иногда в мембране клеток проделывают микроотверстия короткими импульсами высокого напряжения, а через отверстия в клетку могут пройти отрезки ДНК. Иногда применяют даже впрыскивание ДНК в клетку микрошприцем под контролем микроскопа. Несколько лет назад предложено покрывать ДНК сверхмалые металлические «пули», например шарики из вольфрама диаметром 1-2 микрона, и «стрелять» ими в растительные клетки. Проделываемые в стенке клетки отверстия быстро заживляются, а застрявшие в протоплазме «пули» так малы, что не мешают клетке функционировать. Часть «залпа» приносит успех; некоторые «пули» внедряют свою ДНК в нужное место. Дальше из клеток, воспринявших нужный ген, выращивают целые растения, которые затем размножаются обычным способом.

В 1988 г. Патентное ведомство США выдало патент на генетически измененную мышь - первый патент на создание животного. Мышь была генетически изменена, чтобы помочь при исследовании раковых заболеваний, и стала, таким образом, первым мутантом, созданным человеком. После 1988 г. в помощь медицинским исследованиям было создано еще несколько новых видов мышей по ставшей уже обычной технологии. Важнейшим из этих достижений был создание в 1989 г. вида мыши с иммунной системой человека. Можно ожидать, благодаря этому важному достижению будут существенно ускорены исследования в области медицины, занимающейся лечением СПИДа и других смертоносных болезней.

Способность биотехнологии исправлять ошибки природы находится пока в зачаточном состоянии. Первые официальные попытки применения генной терапии на человеке были одобрены в США комиссией экспертов-медиков в июле 1990 г. Получили одобрение два плана использования генной терапии против иммунного дефицита у детей и рака кожи у взрослых. Хотя эти усилия касаются только сравнительно редких болезней, данная работа открыла двери для развития методов генетического лечения широкого круга болезней в будущем.

Самые серьезные споры, связанные с генной инженерией, обусловлены той властью, которое человечество получает над процессами наследственности - способностью изменять генетическую структуру своего собственного вида. Первым этапом использования этой власти будет генная терапия - введение генов с "правильной" информацией в клетки, содержащие дефектные гены, или добавка новых генов, в коде которых имеются вещества для борьбы с болезнью. Одним из методов генной инженерии является клонирование.

Клон - это генетическая копия отдельного организма, получаемая путем неполового размножения, при котором побуждается к делению ядро клетки из тела только одного родителя. Поскольку клон наследует гены лишь одного родителя, он должен быть генетически тождественен этому родителю. Селекционеры-садоводы давно уже клонируют различные сорта растений путем разрезания и прививания. В естественных условиях клонированием размножаются бактерии и одноклеточные животные.

Клонирование оказалось в центре внимания средств массовой информации, когда биологи сотворили новую лягушку из ДНК ядра клетки кишечника старой особи. Специалисты по биотехнологии могут теперь заниматься племенным животноводством, клонируя большое число домашних животных из отдельного эмбриона. Эта возможность успешно клонировать крупных млекопитающих содержит намек на будущее применение таких же методов для размножения человека. Однако это находится далеко за пределами уровня знаний о том, можно ли манипулировать с человеческими эмбрионами в лаборатории, производить многочисленное потомство генетически одинаковых младенцев. Все это - материал многих споров о том, как далеко мы хотим пойти в генной инженерии.

Развитие генной инженерии повлекло за собой постановку вопросов этического характера, объединением которых явилась биоэтика - область знания, связанная с этическими проблемами использования некоторых биологических и медицинских процедур, технологий и методов лечения. В качестве примера можно привести проблемы пересадки органов, генной инженерии или поддержание жизни безнадежно больных.

Примером биоэтической проблемы является определение того лица, которому необходимо предоставить для пересадки (трансплантации) имеющиеся в наличии органы. Другой пример спорной технологии, а также этической и нравственной проблемы - опыты по пересадке человеческих зародышевых тканей, в частности - мозга человеческого зародыша больному с нарушением центральной нервной системы, что позволяет в ряде случаев ослабить симптомы болезни.