Генная инженерия (генетическая инженерия) – совокупность методов и технологий, в том числе технологий получения рекомбинантных рибонуклеиновых и дезоксирибонуклеиновых кислот, по выделению генов из организма, осуществлению манипуляций с генами и введению их в другие организмы .
Генная инженерия – составная часть современной биотехнологии, теоретической основой ее является молекулярная биология, генетика. Суть новой технологии заключается в направленном, по заранее заданной программе конструировании молекулярных генетических систем вне организма (in vitro) с последующим внедрением созданных конструкций в живой организм. В результате достигается их включение и активность в данном организме и у его потомства. Возможности генной инженерии – генетическая трансформация, перенос чужеродных генов и других материальных носителей наследственности в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение генно-инженерно-модифицированных (генетически модифицированных, трансгенных) организмов с новыми уникальными генетическими, биохимическими и физиологическими свойствами и признаками, делают это направление стратегическим.
С точки зрения методологии генная инженерия сочетает в себе фундаментальные принципы (генетика, клеточная теория, молекулярная биология, системная биология), достижения самых современных постгеномных наук: геномики, метаболомики, протеомики с реальными достижениями в прикладных направлениях: биомедицина, агробиотехнология, биоэнергетика, биофармакология, биоиндустрия и т.д.
Генная инженерия относится (наряду с биотехнологией, генетикой, молекулярной биологией, и рядом других наук о жизни) к сфере естественных наук.
Историческая справка
Генная инженерия появилась благодаря работам многих исследователей в разных отраслях биохимии и молекулярной генетики. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали двуспиральную модель ДНК, на рубеже 50 – 60-х годов 20 века были выяснены свойства генетического кода, а к концу 60-х годов его универсальность была подтверждена экспериментально. Шло интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой стали E.coli, ее вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов. ДНК вирусов и плазмид вводили в клетки в биологически активной форме, обеспечивая ее репликацию и экспрессию соответствующих генов. В 1970 году Г.Смитом был впервые выделен ряд ферментов – рестриктаз, пригодных для генно-инженерных целей. Г.Смит установил, что полученный из бактерий очищенный фермент HindII сохраняет способность разрезать молекулы нуклеиновых кислот (нуклеазная активность), характерную для живых бактерий. Комбинирование ДНК-рестриктаз (для разрезания молекул ДНК на определенные фрагменты) и выделенных еще в 1967 г. ферментов – ДНК-лигаз (для «сшивания» фрагментов в произвольной последовательности) по праву можно считать центральным звеном в технологии генной инженерии.
Таким образом, к началу 70-х годов были сформулированы основные принципы функционирования нуклеиновых кислот и белков в живом организме и созданы теоретические предпосылки генной инженерии
Академик А.А. Баев был первым в нашей стране ученым, который поверил в перспективность генной инженерии и возглавил исследования в этой области. Генетическая инженерия (по его определению) – конструирование in vitro функционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК), или иначе – создание искусственных генетических программ.
Задачи и методы генной инженерии
Хорошо известно, что традиционная селекция имеет целый ряд ограничений, которые препятствуют получению новых пород животных, сортов растений или рас практически ценных микроорганизмов:
1. отсутствие рекомбинации у неродственных видов. Между видами существуют жесткие барьеры, затрудняющие естественную рекомбинацию.
2. невозможность управлять процессом рекомбинации в организме извне. Отсутствие гомологии между хромосомами приводит к неспособности сближаться и обмениваться отдельными участками (и генами) в процессе образования половых клеток. В результате становится невозможным перенос нужных генов и обеспечение оптимального сочетания в новом организме генов, полученных от разных родительских форм;
3. невозможность точно задать признаки и свойства потомства, т.к. процесс рекомбинации – статистический.
Природные механизмы, стоящие на страже чистоты и стабильности генома организма, практически невозможно преодолеть методами классической селекции.
Технология получения генетически модифицированных организмов (ГМО) принципиально решает вопросы преодоления всех естественных и межвидовых рекомбинационных и репродуктивных барьеров. В отличие от традиционной селекции, в ходе которой генотип подвергается изменениям лишь косвенно, генная инженерия позволяет непосредственно вмешиваться в генетический аппарат, применяя технику молекулярного клонирования. Генная инженерия позволяет оперировать любыми генами, даже синтезированными искусственно или принадлежащими не родственным организмам, переносить их от одного вида к другому, комбинировать в произвольном порядке.
Технология включает несколько этапов создания ГМО:
1. Получение изолированного гена.
2. Введение гена в вектор для встраивания в организм.
3. Перенос вектора с конструкцией в модифицируемый организм-рецепиент.
4. Молекулярное клонирование.
5. Отбор ГМО.
Первый этап – синтез, выделение и идентификация целевых фрагментов ДНК или РНК и регуляторных элементов очень хорошо разработан и автоматизирован. Изолированный ген может быть также получен из фаговой библиотеки.
Второй этап – создание in vitro (в пробирке) генетической конструкции (трансгена), которая содержит один или несколько фрагментов ДНК (кодирующих последовательность аминокислот белков) в совокупности с регуляторными элементами (последние обеспечивают активность трансгенов в организме). Далее трансгены встраивают в ДНК вектора для клонирования, используя инструментарий генной инженерии – рестриктазы и лигазы. За открытие рестриктаз Вернер Арбер, Даниел Натанс и Хамилтон Смит были удостоены Нобелевской премии (1978 г.). Как правило, в качестве вектора используют плазмиды – небольшие кольцевые молекулы ДНК бактериального происхождения.
Следующий этап – собственно «генетическая модификация» (трансформация), т.е. перенос конструкции «вектор – встроенная ДНК» в отдельные живые клетки. Введение готового гена в наследственный аппарат клеток растений и животных представляет собой сложную задачу, которая была решена после изучения особенностей внедрения чужеродной ДНК (вируса или бактерии) в генетический аппарат клетки. Процесс трансфекции был использован как принцип введения генетического материала в клетку.
Если трансформация прошла успешно, то после эффективной репликации из одной трансформированной клетки возникает множество дочерних клеток, содержащих искусственно созданную генетическую конструкцию. Основой для появления у организма нового признака служит биосинтез новых для организма белков – продуктов трансгена, например, растений – устойчивости к засухе или насекомым-вредителям у ГМ растений.
Для одноклеточных организмов процесс генетической модификации ограничивается встраиванием рекомбинантной плазмиды с последующим отбором модифицированных потомков (клонов). Для высших многоклеточных организмов, например, растений, то обязательным является включение конструкции в ДНК хромосом или клеточных органелл (хлоропластов, митохондрий) с последующей регенерацией целого растения из отдельной изолированной клетки на питательных средах. В случае животных, клетки с измененным генотипом вводят в бластоциды суррогатной матери. Первые ГМ растения были получены в 1982 году учеными из Института растениеводства в Кельне и компании Monsanto.
Основные направления
Постгеномная эра в первой декаде XXI-ого века подняла на новый уровень развитие генной инженерии. Так называемый Кельнский Протокол «На пути к биоэкономике, основанной на знаниях» , определил биоэкономику как «преобразование знаний наук о жизни в новую, устойчивую, экологически эффективную и конкурентоспособную продукцию». Дорожная карта генной инженерии содержит целый ряд направлений: генотерапия, биоиндустрия, технологии, основанные на стволовых клетках животных, ГМ растения, ГМ животные и т.д.
Генетически модифицированные растения
Ввести чужеродную ДНК в растения можно различными способами.
Для двудольных растений существует естественный вектор для горизонтального переноса генов: плазмиды агробактерий. Что касается однодольных, то, хотя в последние годы достигнуты определенные успехи в их трансформации агробактериальными векторами, все же подобный путь трансформации встречает существенные затруднения.
Для трансформации устойчивых к агробактериям растений разработаны приемы прямого физического переноса ДНК в клетку они включают: бомбардировку микрочастицами или баллистический метод; электропорацию; обработку полиэтиленгликолем; перенос ДНК в составе липосом и др.
После проведения тем или иным способом трансформации растительной ткани ее помещают in vitro на специальную среду с фитогормонами, способствующую размножению клеток. Среда обычно содержит селективный агент, в отношении которого трансгенные, но не контрольные клетки приобретают устойчивость. Регенерация чаще всего проходит через стадию каллуса, после чего при правильном подборе сред начинается органогенез (побегообразование). Сформированные побеги переносят на среду укоренения, часто также содержащую селективный агент для более строгого отбора трансгенных особей.
Первые трансгенные растения (растения табака со встроенными генами из микроорганизмов) были получены в 1983 г. Первые успешные полевые испытания трансгенных растений (устойчивые к вирусной инфекции растения табака) были проведены в США уже в 1986 г.
После прохождения всех необходимых тестов на токсичность, аллергенность, мутагенность и т.д. первые трансгенные продукты появились в продаже в США в 1994 г. Это были томаты Flavr Savr с замедленным созреванием, созданные фирмой «Calgen», а также гербицид-устойчивая соя компании «Monsanto». Уже через 1-2 года биотехнологические фирмы поставили на рынок целый ряд генетически измененных растений: томатов, кукурузы, картофеля, табака, сои, рапса, кабачков, редиса, хлопчатника.
В РФ возможность получения трансгенного картофеля методом бактериальной трансформации с использованием Agrobacterium tumefaciens была показана в 1990 г.
В настоящее время получением и испытанием генетически модифицированных растений занимаются сотни коммерческих фирм во всем мире с совокупным капиталом более 100 миллиардов долларов. Генно-инженерная биотехнология растений уже стала важной отраслью производства продовольствия и других полезных продуктов, привлекающей значительные людские ресурсы и финансовые потоки.
В России под руководством академика К.Г. Скрябина (Центр «Биоинженерия» РАН) получены и охарактеризованы ГМ сорта картофеля Елизавета плюс и Луговской плюс, устойчивые к колорадскому жуку. По результатам проверки Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека на основании экспертного заключения ГУ НИИ питания РАМН данные сорта прошли государственную регистрацию, внесены в государственный реестр и разрешены для ввоза, изготовления и оборота на территории РФ.
Данные ГМ сорта картофеля принципиально отличается от обычных наличием в его геноме встроенного гена, определяющего 100%-ю защиту урожая от колорадского жука без использования каких-либо химических средств.
Первая волна трансгенных растений, допущенных для практического применения, содержала дополнительные гены устойчивости (к болезням, гербицидам, вредителям, порче при хранении, стрессам).
Нынешний этап развития генетической инженерии растений получил название «метаболическая инженерия». При этом ставится задача не столько улучшить те или иные имеющиеся качества растения, как при традиционной селекции, сколько научить растение производить совершенно новые соединения, используемые в медицине, химическом производстве и других областях. Этими соединениями могут быть, например, особые жирные кислоты, полезные белки с высоким содержанием незаменимых аминокислот, модифицированные полисахариды, съедобные вакцины, антитела, интерфероны и другие «лекарственные» белки, новые полимеры, не засоряющие окружающую среду и многое, многое другое. Использование трансгенных растений позволяет наладить масштабное и дешевое производство таких веществ и тем самым сделать их более доступными для широкого потребления.
Генетически модифицированные животные
Клетки животных существенно отличаются от бактериальных по своей способности поглощать чужеродную ДНК, поэтому методы и способы способы введения генов в эмбриональные клетки млекопитающих, мух и рыб остаются в центре внимания генных инженеров.
Наиболее изученное в генетическом отношении млекопитающее – мыши. Первый успех относится к 1980 году, когда Д. Гордон с сотрудниками продемонстрировал возможность введения и интеграции чужеродной ДНК в геном мышей. Интеграция была стабильной и сохранялась у потомства. Трансформацию производят микроинъекцией клонированных генов в один или оба пронуклеуса (ядра) только что эмбриона на стадии одной клетки (зиготы). Чаще выбирают мужской пронуклеус, привнесенный сперматозоидом, так как его размеры больше. После инъекции яйцеклетку немедленно имплантируют в яйцевод приемной матери, или дают возможность развиваться в культуре до стадии бластоцисты, после чего имплантируют в матку.
Таким образом были инъецированы гены интерферона и инсулина человека, ген β-глобина кролика, ген тимидинкиназы вируса простого герпеса и кДНК вируса лейкемии мышей. Число молекул, вводимое за одну инъекцию, колеблется от 100 до 300 000, а их размер – от 5 до 50 кб. Выживает обычно 10 – 30% яйцеклеток, а доля мышей, родившихся из трансформированных яйцеклеток варьирует от нескольких до 40%. Таким образом, реальная эффективность составляет около 10%.
Таким методом получены генно-инженерные крысы, кролики, овцы, свиньи, козы, телята и другие млекопитающие. В нашей стране получены свиньи, несущие ген соматотропина. Они не отличались по темпам роста от нормальных животных, но изменение обмена веществ сказалось на содержании жира. У таких животных ингибировались процессы липогенеза и активировался синтез белка. К изменению обмена веществ приводило и встраивание генов инсулиноподобного фактора. ГМ свиньи были созданы для изучения цепочки биохимических превращений гормона, а побочным эффектом явилось укрепление иммунной системы.
Самая мощная белоксинтезирующая система находится в клетках молочной железы. Если поставить гены чужих белков под контроль казеинового промотора, то экспрессия этих генов будет мощной и стабильной, а белок будет накапливаться в молоке. С помощью животных-биореакторов (трансгенные коровы) уже получено молоко, в котором содержится человеческий белок лактоферрин. Этот белок планируется применять для профилактики гастроэнтерологических заболеваний у людей с низкой иммунорезистентностью: больные СПИДом, недоношенные младенцы, больные раком, прошедшие радиотерапию.
Важное направление трансгеноза – получение устойчивых к болезням животных. Ген интерферона, относящийся к защитным белкам, встраивали различным животным. Трансгенные мыши получили устойчивость – они не болели или болели мало, а вот у свиней такого эффекта не обнаружено.
Применение в научных исследованиях
Нокаут гена (gene knockout) – техника удаления одного или большего количества генов, что позволяет исследовать функции гена. Для получения нокаутных мышей полученную генно-инженерную конструкцию вводят в эмбриональные стволовые клетки, где конструкция подвергается соматической рекомбинации и замещает нормальный ген, а измененные клетки имплантируют в бластоцист суррогатной матери. Сходным способом получают нокаут у растений и микроорганизмов.
Искусственная экспрессия – добавление в организм гена, которого у него ранее не было, также с целями изучения функции генов. Визуализация продуктов генов – используется для изучения локализации продукта гена. Замещение нормального гена на сконструрованный ген, слитый с репортёрным элементом, (например, с геном зелёного флуоресцентного белка) обеспечивает визуализацию продукта генной модификации.
Исследование механизма экспрессии. Небольшой участок ДНК, расположенный перед кодирующей областью (промотор) и служащий для связывания факторов транскрипции, вводят в организм, поставив после него вместо собственного гена репортерный, например, GFP, катализирующий легко обнаруживаемую реакцию. Кроме того, что функционирование промотора в тех или иных тканях в тот или иной момент становится хорошо заметным, такие эксперименты позволяют исследовать структуру промотора, убирая или добавляя к нему фрагменты ДНК, а также искусственно усиливать экспрессию генов.
Биобезопасность генно-инженерной деятельности
Еще в 1975 г. ученые всего мира на Асиломарской конференции подняли важнейший вопрос: не окажет ли появление ГМО потенциально негативного воздействия на биологическое разнообразие? С этого момента одновременно с бурным развитием генной инженерии стало развиваться новое направление - биобезопасность. Главная ее задача - оценить не несет ли использование ГМО нежелательное воздействие на окружающую среду, здоровье человека и животных, а главная цель - открыть путь к использованию достижений современной биотехнологии, гарантируя при этом безопасность.
Стратегия биобезопасности основывается на научном исследовании особенностей ГМО, опыте обращения с ним, а также информации о его предполагаемом использовании и окружающей среде, в которую он будет интродуцирован. Совместными многолетними усилиями международных организаций (ЮНЕП, ВОЗ, ОЭСР), экспертов из разных стран, в т. ч. России, были разработаны базовые понятия и процедуры: биологическая безопасность, биологическая опасность, риск, оценка рисков. Только после того, как полный цикл проверок будет успешно осуществлен, готовится научное заключение о биобезопасности ГМО. В 2005 г. ВОЗ опубликовало доклад, согласно которому употребление зарегистрированных в качестве пищи ГМ растений также безопасно, как их традиционных аналогов.
Как обеспечивается биобезопасность в России? Началом включения России в мировую систему биобезопасности можно считать ратификацию «Конвенции о биоразнообразии» в 1995 году. С этого момента началось формирование национальной системы биобезопасности, отправной точкой которой явилось вступление в силу Федерального закона РФ «О государственном регулировании в области генно-инженерной деятельности» (1996 г.). ФЗ устанавливает основные понятия и принципы государственного регулирования и контроля всех видов работ с ГМО. ФЗ устанавливает уровни риска в зависимости от типа ГМО и вида работ, дает определения замкнутой и открытой систем, выпуска ГМО и т.д.
За прошедшие годы в России сформировалась одна из самых жестких систем регулирования. Неординарен тот факт, что система государственного регулирования ГМО стартовала превентивно, в 1996 году, до того, как реальные генно-инженерные организмы были заявлены для коммерциализации на территории России (первый ГМО – ГМ соя - была зарегистрирована для пищевого использования в 1999г.). Базовыми правовыми инструментами служат государственная регистрация генно-инженерно-модифицированных организмов, а также продукции, полученной из них или их содержащей, предназначенных для использования в качестве пищи и кормов.
Для понимания современной ситуации важен факт, что в течение 25 лет, прошедших с момента первого выхода ГМ растений на рынок, не было выявлено ни одного достоверного отрицательного воздействия их на окружающую среду и здоровье человека и животных ни в ходе испытаний, ни при коммерческом использовании. Только в одном из мировых источников – отчете авторитетного общества AGBIOS «Essential Biosafety» содержится более 1000 ссылок на исследования, доказывающие, что пища и корма, полученные из биотехнологических культур, настолько же безопасны, насколько безопасны и традиционные продукты. Однако на сегодняшний день в России отсутствует нормативно-правовая база, которая позволила бы осуществлять на территории нашей страны выпуск в окружающую среду ГМ растений, а также продукции, полученной из них или их содержащей. Как следствие – на 2010 год ни одно ГМ растение не выращивается на территории Российской Федерации в коммерческих целях.
По прогнозу, согласно Кельнскому Протоколу (2007 г), к 2030 г. отношение к сельскохозяйственным ГМ культурам изменится в сторону одобрения их использования.
Достижения и перспективы развития
Генная инженерия в медицине
Потребности здравоохранения, необходимость решения проблем старения населения формируют устойчивый спрос на генно-инженерные фармпрепараты (с годовым объемом продаж в 26 млрд. долл. США) и лечебно-косметические средства из растительного и животного сырья (с годовым объемом продаж около 40 млрд. долл. США).
Среди многих достижений генной инженерии, получивших применение в медицине, наиболее значительное – получение человеческого инсулина в промышленных масштабах.
В настоящее время по данным ВОЗ в мире насчитывается около 110 млн. людей, страдающих диабетом. Инсулин, инъекции которого показаны больным этим заболеванием, уже давно получают из органов животных и используют в медицинской практике. Однако многолетнее применение животного инсулина ведет к необратимому поражению многих органов пациента из-за иммунологических реакций, вызываемых инъекцией чужеродного человеческому организму животного инсулина. Но даже потребности в животном инсулине до недавнего времени удовлетворялись всего на 60 – 70%. Генные инженеры в качестве первой практической задачи клонировали ген инсулина. Клонированные гены человеческого инсулина были введены с плазмидой в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали. Начиная с 1982 года фирмы США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин. В России получение генно-инженерного человеческого инсулина – Инсурана ведется в Институте биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН. Сегодня отечественный инсулин производится в объеме, достаточном для обеспечения больных диабетом г. Москвы. Вместе с тем, потребность всего российского рынка в генно-инженерном инсулине удовлетворяется, в основном, импортными поставками. Мировой рынок инсулина составляет в настоящее время более 400 млн. долларов, ежегодное потребление около 2500 кг.
Развитие генной инженерии в 80-х годах прошлого столетия обеспечило хороший задел России в создании генно-инженерных штаммов микроорганизмов с заданными свойствами – продуцентов биологически активных веществ, в разработке генно-инженерных методов реконструирования генетического материала вирусов, в получении лекарственных субстанций, в том числе и с использованием компьютерного моделирования. До стадии производства доведены рекомбинантный интерферон и лекарственные формы на его основе медицинского и ветеринарного назначения, интерлейкин (b-лейкин), эритропоэтин. Несмотря на растущий спрос на высокоочищенные препараты, отечественное производство иммуноглобулинов, альбумина, плазмола обеспечивает 20% потребностей внутреннего рынка.
Активно ведутся исследования по разработке вакцин для профилактики и лечения гепатитов, СПИДа и ряда других заболеваний, а также конъюгированных вакцин нового поколения против наиболее социально значимых инфекций. Полимер-субъединичные вакцины нового поколения состоят из высокоочищенных протективных антигенов различной природы и носителя – иммуностимулятора полиоксидония, обеспечивающего повышенный уровень специфического иммунного ответа. Прививки против подавляющего большинства известных инфекций Россия могла бы обеспечить на базе собственного иммунологического производства. Полностью отсутствует только производство вакцины против краснухи.
Генная инженерия для сельского хозяйства
Генетическое улучшение сельскохозяйственных культур и декоративных растений представляет собой длительный и непрерывный процесс с использованием все более точных и предсказуемых технологий. В научном отчете ООН (за 1989 год) сказано следующее: «Поскольку молекулярные методы наиболее точны, те, кто их применяет, в большей степени уверены в том, какими признаками они наделяют растения, и, следовательно, реже получают незапланированные эффекты, чем при использовании обычных методов селекции.»
Преимущества новых технологий уже широко используются в таких странах, как США, Аргентина, Индия, Китай и Бразилия, где генетически модифицированные культуры возделывают на больших территориях.
Новые технологии также имеют большое значение для малоимущих фермеров и жителей бедных стран, особенно женщин и детей. Например, генетически модифицированные, устойчивые к вредителям, хлопчатник и кукуруза требуют применения инсектицидов в значительно меньших объемах (что делает труд на ферме более безопасным). Такие культуры способствуют повышению урожайности, получению фермерами более высоких доходов, снижению уровня бедности и риска отравления населения химическими пестицидами, что особенно характерно для ряда стран, в том числе для Индии, Китая, ЮАР и Филиппин.
Самыми распространенными ГМ растениями являются культуры, устойчивые к недорогим, наименее токсичным и наиболее широко используемым гербицидам. Возделывание таких культур позволяет получать более высокий урожай с гектара, избавиться от изнурительной ручной прополки, тратить меньше средств за счет минимальной или беспахотной обработки земли, что, в свою очередь, приводит к снижению эрозии почвы.
В 2009 году произошла замена генетически модифицированных культур первого поколения продуктами второго поколения, что впервые привело к увеличению урожайности per se. Пример биотехнологической культуры нового класса (над созданием которой работали многие исследователи) – устойчивая к глифосату соя RReady2Yield™ , выращивалась в 2009 году в США и Канаде более чем на 0.5 миллионах га.
Внедрение генной инженерии в современную агробиологию может быть проиллюстрировано следующими фактами из ряда зарубежных экспертных обзоров, в том числе, из ежегодного обзора независимой Международной службы по мониторингу за применением агробиотехнологий (ISAАA), возглавляемой известным в мире экспертом Клайвом Джеймсом (Claiv James): (www.isaaa.org)
В 2009 году в 25 странах мира выращивали ГМ культуры на площади 134 млн. га (что составляет 9% от 1,5 млрд. га всех пахотных земель в мире). Шесть стран ЕС (из 27) возделывали Bt кукурузу, и в 2009 году площади ее посевов достигли более 94 750 га. Анализ мирового экономического эффекта использования биотехнологических культур за период с 1996 по 2008 г.г. показывает рост прибыли в размере 51,9 миллиардов долларов благодаря двум источникам: во-первых, это сокращение производственных затрат (50%) и, во-вторых, значительная прибавка урожая (50%) в размере 167 миллионов тонн.
В 2009 году общая рыночная стоимость семян ГМ культур в мире составила 10.5 миллиардов долларов. Общая стоимость по зерну биотех кукурузы и сои, а также хлопчатника в 2008 году составила 130 млрд. долларов, и ожидается, что ее ежегодный рост составит 10 – 15%.
Подсчитано, что в случае полного принятия биотехнологии, к концу периода 2006 – 2015 г. прибыль всех стран в пересчете на ВВП вырастет на 210 млрд. долл. США в год.
Наблюдения, проводимые с начала применения в сельском хозяйстве устойчивых к гербицидам сельскохозяйственных культур, убедительно доказывают, что фермеры получили возможность более эффективно бороться с сорняками. При этом рыхление и распахивание полей утрачивают свое значение как средства борьбы с сорняками. В итоге снижается расход тракторного топлива, улучшается структура почвы и предотвращается ее эрозия. Целевые инсектицидные программы выращивания Bt хлопчатника предусматривают меньшее число опрыскиваний посевов и, следовательно, меньшее количество выездов техники на поля, что приводит к сокращению эрозии почв. Все это невольно содействует внедрению консервирующей технологии обработки почвы, направленной на снижение почвенной эрозии, уровня углекислого газа и уменьшения потери воды.
Для современного состояния науки характерен комплексный подход, создание единых технологических платформ для проведения широкого спектра исследований. Они объединяют не только биотехнологию, молекулярную биологию и генную инженерию, но также и химию, физику, биоинформатику, транскриптомику, протеомику, метаболомику.
Рекомендуемая литература
1. Дж. Уотсон. Молекулярная биология гена. М.: Мир. 1978.
2. Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. М.: Мир. 1981
3. С.Н. Щелкунов «Генетическая инженерия». Новосибирск, издательство Сибирского Университета, 2008
4. Глик Б. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / Б. Глик, Дж. Пастернак. М.: Мир, 2002
5. Генная инженерия растений. Лабораторное руководство. Под редакцией Дж. Дрейпера, Р.Скотта, Ф. Армитиджа, Р. Уолдена. М.: «Мир». 1991.
6. Агробиотехнология в мире. Под ред. Скрябина К.Г. М.: Центр «Биоинженерия» РАН, 2008. – 135 с.
7. Кларк. Д., Рассел Л. Молекулярная биология простой и занимательный подход. М.: ЗАО «Компания КОНД». 2004
Ссылки
1. «О государственном регулировании генно-инженерной деятельности». ФЗ-86 в ред. 2000 г., ст.1
2. Кельнский Протокол, Cologne Paper, принят на конференции «На пути к Биоэкономике, основанной на знаниях» (Кельн, 30 мая 2007 г.), организованной Европейским Союзом в период президентства Германии в ЕС.
Итак, настало время продолжения статьи о том, как все же сделать светящуюся елку к следующему новому году с применением настоящей генной инженерии, а не той, о которой вы до этого могли прочитать в новостях:)
Ученые открыли ген синего свечения. Мы прочитали об этом гене и загорелись сделать светящуюся трансгенную елку. Нашли в специализированных ресурсах его название и последовательность, выбили командировку у шефа и скатались туда, где живет животное – бутявка, в которой содержится этот ген.
Путем различных ухищрений с применением специального оборудования мы получили чистые молекулы ДНК гена bl1, кодирующего белок синего свечения.
У нас есть ген. Чего же мы ждем, спросят читатели, давайте засунем этот ген в елку и она начнет светиться?
Не все так просто, и вот, почему.
Любой ген работает только когда с него считывается информация. В нашем случае это мРНК белка bl1. Более того, сама мРНК должна работать, но это отдельная история.
Второе – ген должен передаваться при делении клетки ее потомкам. Иначе все пойдет насмарку.
Третье – ведь ген это не булавка, его еще засунуть как-то нужно!
Если мы просто поместим в клетку ген, то ни информация с него не будет прочитана, ни передаваться он не будет (да, собственно, и с засовыванием его большие проблемы). Поэтому, мы должны навесить на него какую-нибудь служебную информацию, которая бы позволила ему работать и облечь в форму, которая позволит передаваться потомкам. А так же каким-то образом занести его в клетку.
Первая трансформация.
Самая первая задача, которая стоит на каждом этапе – сохранить результаты предыдущих этапов. Актуальная задачи и в программировании, не правда ли? :)
Сейчас мы поместим наш ген в бактерию, так, чтобы в любой момент мы могли ее размножить и достать оттуда необходимое количество. Это будет наш первый трансгенный организм и процесс его создания называется трансформацией.
Почему мы просто не можем размножить ген с помощью ПЦР, как мы делали до этого? Дело в том, что вероятность ошибки в реакции ПЦР 1/10^3, а в бактерии 1/10^6, то есть копирование его происходит в тысячу раз точнее, а точность нам нужна абсолютная и чем больше, тем лучше.
Итак, помещаем ген в бактерию, как же это сделать? Для этого для начала подготовим контейнер - специальную кольцевую молекулу ДНК, называемую плазмидой . Эта плазмида может плавать в клетке бактерии независимо от ее генома, размножаться и передаваться потомкам, так как у нее есть необходимые для этого гены и сигнальные последовательности.
Так же в плазмиде есть гены маркёры . Это такие гены, которые помогут нам отобрать клетки с плазмидой, от клеток где ее нет. Маркёром, например, может быть ген окраски (бактерии с плазмидой будут окрашены) или устойчивости (бактерии с плазмидой не умрут на среде с антибиотиком).
Плазмиды можно купить в биотехнологической компании, их продают всем желающим. Прийдет она к вам в виде прозрачного раствора в небольшой пробирке (собственно, так же выглядит раствор любой другой ДНК). Для вставки гена в плазмиду ее нужно надрезать ферментом - рестриктазой (речь о ней пойдет далее), но часто они продаются уже надрезанными.
Допустим мы купили современную плазмиду, например pJET1,2 от Fermentas .
Вот она, красавица. В верхнем правом углу много мелких названий – это перечислены сайты рестрикции. Rep – это участок отвечающий за репликацию (размножение) плазмиды в клетке, а Amp – репортерный ген устойчивости к антибиотику – ампициллину.
К плазмиде поставляется набор реактивов, так называемый “кит”. Мы капаем по инструкции чуть чуть раствора нашего гена, плазмиды с реактивами из кита и фермента лигазы и получаем раствор, где молекулы плазмиды соединились с молекулами гена и получилась единая кольцевая молекула, содержащая ген bl1.
Такую плазмиду называют “плазмида со вставкой”.
Фермент лигаза сшивает пристыкованые друг к другу участки ДНК. Она сшивает все подряд и не может определить, правильно ли все пристыковано (например, может просто сшить плазмиду саму с собой, вовсе без нашего гена), поэтому наша задача делать так, чтобы стыковаться молекулы могли только определенным образом. Чуть дальше я расскажу об этом, когда пойдет речь о липких концах.
Плазмида pJet1,2 продается уже разрезанной посередине гена eco471R. Это ген кодирует клеточный яд – мощную рестриктазу, которая убъет клетку если лигаза сошьет плазмиду без вставленного гена bl1 и такая плазмида попадет в бактерию. Это очень удобно, так как нам не нужно беспокоиться, что вырастут бактерии, в которых вовсе нет вставки, что бывает с другими типами плазмид (этот тип назван плазмидой-самоубийцей или “selfkill plasmid”).
Изначально эта информация выходила за рамки статьи, но я подумал, что иначе будут вопросы, зачем этот ген:)
Далее берем специально подготовленную культуру бактерий кишечной палочки (Echerichia coli или E.coli) и по протоколу трансформации капаем в них раствор плазмиды со вставкой. Протоколы могут быть разные, вот пример . Бактерии очень легко поддаются трансформации, по сути ДНК просто в них проникает и все, никаких других ухищрений.
Обычно трансформацию делают вечером, наутро бактерии подрастают и мы уже имеем результаты.
На чашке Петри со средой для роста, имеется множество колоний. Каждая колония - потомки одной единственной трансформированной клетки. Мы выбираем некоторые из них, тестируем на содержание bl1 методом ПЦР (чтобы убедиться в наличии гена) и можем положить на хранение.
Бактерии растут очень быстро и теперь плазмиду с геном можно выделить из них в любой момент в нужном количестве
Итак, мы засейвились:) и параллельно получили культуру трансгенных бактерий. Будут они светиться или нет зависит от того, какую плазмиду для трансформации мы выбрали, есть ли в ней сигнальная последовательность для синтеза мРНК – промотор.
Отмечу, что вот такое сохранение промежуточных результатов всегда проводят в бактериях, независимо от того, с каким далее объектом происходит работа. Просто с ними очень удобно работать и хранить (быстро заморозив в жидком азоте).
Подготовка транскрибирующейся последовательности.
Чтобы последовательность гена работала в клетке, с нее должна прочитываться мРНК(а с нее - белок), то есть она должна транскрибироваться. Для того чтобы это произошло, перед геном обязательно должна стоять управляющая последовательность – промотор .
Промоторы есть у всех генов и они отвечают за то, в каких условиях должен синтезироваться ген, однако определенные промоторы работают только в определенных организмах. Так, бактериальные промоторы не работают у растений и наоборот, растительные – в бактериях. Так как мы хотим, чтобы елка светилась ярко, то поставим ген под суперпромотор, который работает постоянно. Для растений им может являться промотор 35S из вируса мозаики цветной капусты.
К счастью на не нужно искать этот вирус и цветную капусту:) Можно купить уже готовую плазмиду, содержащую промотор и имеющую место для вставки гена. Например, такую как на рисунке.
Следующий шаг - мы выделяем плазмиду со вставкой из культуры бактерий и вырезаем оттуда ген. Вырезание производится с помощью ферментов-рестриктаз (просто к раствору плазмидной ДНК добавляем фермент и буфер для работы фермента). По бокам от встроенного нами гена в плазмиде содержатся участки ДНК (сайты рестрикции), которые ими узнаются и происходит разрезание.
Всегда нужно выбирать те рестриктазы, которые будут резать только в одном месте, не разрезая сам ген (определенная рестриктаза всегда узнает определенный сайт, который состоит обычно из 6 определенных нуклеотидов). Например, рестриктаза EcoR1 всегда разрежет ДНК если обнаружит в ней последовательность G"AATTC, причем резать будет и одну цепь и вторую.
Если рестриктаза режет не точно посередине последовательности узнавания, то по краям остаются так называемые “липкие концы”, где часть ДНК одноцепочечна. Такие концы имеют свойство “липнуть”- пристыковываться к другим липким концам с той же последовательностью одноцепочечных участков. Если последовательность будет иной, то стыковки не произойдет. Таким образом если мы вырежем ген двумя рестриктазами – одной для начала гена и другой для конца, то начало и конец его будут иметь разные концы, которые соединятся только с себе подобными. Это очень важно для контролирования ориентации гена, ведь работает он только если повернут определенным образом к служебным последовательностям.
Некоторые рестриктазы могут порезать четко посередине и получим “тупые концы”. По тупым концам тоже можно сделать сшивку, но получится 50% вероятность пришить ген не той стороной которой нужно, а задом наперед.
После вырезания гена очищаем его от остатков плазмиды с помощью электрофореза.
Аналогичным образом разрезаем купленную плазмиду с промотором и смешиваем ее с вырезанным геном.
Добавляем лигазы и вуаля – имеем сшитую последовательность, где у нас имеется промотор 35S и ген bl1.
Снова трансформируем бактерии, уже этой полученной конструкцией. Так как мы ввели промотор, работающий у растений, то светиться такие бактерии не будут. Если бы мы ввели бактериальный промотор, то на этом шаге культура бактерий бы засветилась.
Плазмида с промотором, геном, маркёрами и другими служебными частями называется “плазмидой для экспрессии”. Ее уже можно использовать для получения трансгенных растений.
Это у нас второе сохранение. Мы уже знаем как заставить бактерии светиться и получили почти все необходимое, чтобы получить трансгенные растения.
Заметьте, процесс генноинженерной работы многоступенчатый и многозадачный. В реальной жизни одновременно происходит работа с 3-4 экспериментами находящимися на разных стадиях. Пока в одном растут бактерии, для другого мы проводим рестрикцию плазмиды, а для третьего выделяем ген. Происходит это из-за того, что никогда не бывает настолько идеально гладкого хода работ, как я описал, всегда возникают проблемы по разным причинам, их приходится обнаруживать, преодолевать. Даже на выявление ошибки на каждой стадии уходит минимум несколько часов.
И именно для преодоления проблем нужен весь объем знаний молекулярного биолога, а не для последовательного капанья из одной пробирки в другую, чем может заниматься и лаборант:)
Бывший главный редактор рассказывает о своей жизни после Rusbase.
Привет! Меня зовут Элина, и в 2016 году я ушла с должности главного редактора Rusbase, чтобы стать генным инженером. Подробно об уходе написано .
Прошел год, инженером я не стала, а что из всего этого вышло – в статье ниже.
Учеба
Мои знания по биологии и химии находились где-то на уровне шестого класса. Уволившись, я засела за учебники. Друзья привезли целую полку книг.
По химии мне больше всего понравилась вот эта книга:
Джон Мур, «Химия для чайников»
А по биологии лучше всего зашли лекции на Youtube: CrashCourse (на английском) и лекции Окштейна . Заниматься по YouTube посоветовал знакомый, который учится на биолога в Голландии: «Я не понимаю, как можно читать учебники на русском – они такие занудные!»
Очень понравились выступления Виктории Коржовой о том, как строить научную карьеру за границей. У нее, кстати, есть свой паблик , где она выкладывает много полезной информации.
Я подошла к Виктории после одного из выступлений. Она посоветовала: «Попробуй несколько месяцев поработать в лаборатории, вдруг тебе НЕ понравится». Для меня это звучало как «Слетай в космос на звездолете, вдруг тебе не понравится».
Лаборатория: начало
У Агентства Стратегических Инициатив (АСИ) есть программа НТИ – Национальная Технологическая Инициатива. Там изучают, какие рынки могут появиться в будущем – например, рынок беспилотных машин. И сотрудники НТИ что-то делают, чтобы Россия на этих рынках стала лидером (мне такая программа кажется сомнительной, но не суть).
Так вот, блоком HealthNet (будущий рынок медицины) руководит Михаил Самсонов, он же директор медицинского департамента «Р-ФАРМ».
В прекрасный зимний день Михаил сидел в ресторане и обедал, а меня просто посадили перед ним (спасибо старым контактам). Я что-то пролепетала про генную инженерию и книгу Аси Казанцевой .
Он сказал: я вас познакомлю с Павлом Волчковым, который 10 лет работал в лабораториях в США, а потом приехал и основал свою лабораторию геномной инженерии в МФТИ .
Через неделю я стояла перед зданием «Физтех Био» в ожидании интервью с Павлом Юрьевичем. Мы договорились пообщаться на тему «Рабочий день генного инженера». А заодно я репетировала про себя «А можно у вас поработать стажером пару месяцев?»
Здание «Физтех БИО» на территории университета МФТИ. Лаборатория геномной инженерии размещается на 6 этаже
Павел Юрьевич рассказывал про состояние науки в России, о том как он открыл лабораторию, а потом заявил:
«Вот вы видите пакет молока, и думаете – уау, это продукт. Люди занимались продуктом! А на самом деле, чтобы получить молоко, нужно еще навоз убирать. Вот в науке, чтобы получить что-то стоящее – нужно годами “убирать навоз”. Идите к нам в лабораторию на пару месяцев. У нас школьники занимаются геномным редактированием – будете вместе с ними, сделаете проект. Заодно проверите, нравится ли вам это».
Не очень веря в свое счастье, на следующий день я приступила к работе в лаборатории.
Рабочий день генного инженера
Генные инженеры, конечно, не называют себя генными инженерами. Они зовутся молекулярными биологами.
МФТИ находится в городе Долгопрудном под Москвой. Я приезжала туда к 11, уезжала домой обычно в 20:00.
Вид из лаборатории
Первую неделю в лабе я следила, что и как делают другие сотрудники. А потом мне назначили научного руководителя Светлану Дмитриевну Звереву, она сказала: «Вот твоя пипетка, вот твои клетки. Делай».
Лабораторная пипетка выглядит вот так. Как космический бластер
Светлана Дмитриевна разрабатывает новый метод генной инженерии растений. В основном я занималась тем, что брала на себя маленькие части ее проекта:
- подготовить плазмиды (плазмида – это кусок ДНК в кольце. Мне нужно было «разрезать и заново сшить» цепочку ДНК в нужных местах),
- подготовить клетки (изменить геном клеток с помощью плазмиды) и т. д.
Мой рабочий стол
В пробирках – мои плазмиды
Проверяю с помощью агарозного гель-электрофореза, получилась ли нужная мне цепочка ДНК
Кстати, мне разрешали работать с реактивами, пробирочка каждого из которых стоит ~20 тысяч рублей. В жизни бы не подпустила новичка к таким дорогим штукам!
Холодильник с реактивами
Через 3 месяца Светлана позволила юному падавану готовить растения для экспериментов.
В отдельной лаборатории сажаю черенки табака на гель
Посадила черенки табака, чтобы потом на нем проводить опыты
На сленге ученых то, чем я занималась, называется «капать» – потому что много времени ты проводишь с пипеткой и капаешь свои растворы из пробирки в пробирку. На некоторых вечеринках ко мне подходили молодые люди и спрашивали «О, ты капаешь?» – это звучало как «О, ты играешь в рок-группе?»
Как бы круто все это ни звучало, в США такому учат еще в школе. Опыты с геномом клеток входят в школьную программу по естествознанию.
Нужно добавить, что российские школьники все равно могут попробовать себя в молекулярной биологии: либо прийти в лабораторию геномной инженерии МФТИ, либо пройти программу в Школе молекулярной и теоретической биологии , проходящей при поддержке Zimin Foundation.
Еще я делала стандартные для ученого процедуры:
вела лабораторный журнал (т. е. записывала все свои действия и результаты экспериментов), чтобы затем можно было убедиться, что опыт был проведен правильно,
изучала зарубежные исследования по нужной мне теме.
В лаборатории
Многие ученые работают по выходным, потому что у клеток и растений нет выходных. Если по ходу опыта нужно прийти и проверить клетки 1 января в 6 утра – ученый придет и будет проверять клетки.
Кстати, эксперимент может не получиться 5 раз подряд – это нормально. Клетки с нужным геномом для проекта Светланы я получила с четвертого раза (правда, в моем случае всё можно списать на неопытность).
Вы спросите: «А как ты резала геном, если ничего не знаешь в биологии?» Дело в том, что в научном процессе много протоколов. Чтобы «разрезать» геном, нужно смешать вот такие растворы, подержать их на льду, потом согреть, потом снова на лед и т. д.
Мне дали стопку таких протоколов, и я просто все делала по инструкции. Для этого и учиться особо не нужно.
Пример протокола
А вот для чего нужно учиться годами и следить за миром науки: чтобы самому проектировать эксперименты. «Цель – получить особи свиней, устойчивых к африканской чуме. Я возьму эти клетки, эти плазмиды, эти рестриктазы, подготовлю такую конструкцию, потом вставлю конструкцию в геном зародышей свиней, а вот в этих зародышах менять не буду, потому что...» и т. д.
То есть, я просто делала ручную лаборантскую работу. Говоря об ученых, я не называю себя таковым и не считаю себя им. Спроектировать эксперимент я не способна.
По пятницам у нас проводились «симпозиумы»: кто-то из сотрудников готовил доклад о зарубежной научной статье, а потом мы садились с пиццей и вином и обсуждали новые открытия.
Мне тоже выпало счастье готовить доклад, и это было самым сложным испытанием. Представьте, что вам нужно за неделю выучить новый язык, а затем на этом же языке рассказать поэму, притом еще ответить на вопросы по тексту. Вот примерно так я себя чувствовала.
На пятничном симпозиуме
Странности ученых
Не странности, конечно. А те специфические качества, которые я не замечала в общении с людьми других профессий.
- Ученые очень холодно относятся к научпопу. Я бы даже сказала, с неприязнью. «Зачем такие книги читать, почему вы не читаете “Биологию стволовых клеток”?» «В России нормального научпопа нет». Это самые мягкие примеры того, что я слышала о научпопе:)
- Ученые общаются на своем языке, полном терминов. Если есть термин, то они выберут его, потому что так корректнее. «Суспендировать», а не смешивать. «Амплифицировать», а не размножить. Белок «экспрессируется» в клетке, а не выделяется. А теперь представьте, что предложение из 10 слов наполовину состоит из таких терминов – это будет речь Павла Юрьевича:) Можно послушать подкаст с Павлом .
- Главная цель ученого – провести исследование и получить вывод, получить новое знание. Будет ли кто-то регистрировать патент и строить на этом знании бизнес – ему по большей степени все равно.
Почему я ушла из лабы через 4 месяца
Официальная версия: чтобы лучше подготовиться к надвигающемуся языковому экзамену IELTS и чтобы пройти курсы программирования на Python, которые были давно запланированы.
Это было лукавством, конечно. Я просто чувствовала, что работа в науке противоречит моей внутренней природе. Как это объяснить? Ну вот, например, многие не хотят идти работать в продажи и говорят «Уууу, я никогда не смогу». Вот, я никогда не смогу.
Кстати, программирование тоже не вошло в мою «природу». После первых же трех часов дебажинга (очистки кода от ошибок).
Почему вас возьмут в лабораторию?
В российских научных лабораториях не хватает рук. Планы и исследования большие, а бюджеты – нет. Если вы готовы бесплатно работать, вас, скорее всего, возьмут и всему научат.
Представьте, с чем можно соприкоснуться: космические спутники, лазеры, новые организмы...
А если вы лаборатория, которая хочет рассказать о себе – напишите мне или
– Что такое биотехнологии?
– В широком смысле к ним можно отнести все технологии, связанные с использованием биологических систем в различных целях. Это и технологии селекции, и технология прививания растений, и технология выведения новых штаммов микроорганизмов и их использования.
В узком смысле - это технологии с применением генной инженерии, которые сейчас весьма активно используются. В сельском хозяйстве востребована генная инженерия растений. Генная инженерия микроорганизмов нужна для получения медицинских препаратов и других полезных веществ, а также для производства каких-либо компонентов, не обязательно связанных с медициной, например, биотоплива.
– А где генная инженерия сейчас наиболее востребована?
– Подавляющее большинство специалистов занимаются генной инженерией в рамках фундаментальных исследований, ведь эта технология - наша основная возможность узнать, что делает тот или иной участок ДНК. Мы либо нарушаем в нем последовательность элементов, либо переносим весь участок в другой организм и смотрим, что изменилось, какие новые свойства появились. Таким образом мы пытаемся установить, как работают гены.
Две отрасли, в которых генная инженерия наиболее востребована и используется для решения практических задач - микробиология и сельское хозяйство, в частности, создание новых сортов растений. Агросектор заинтересован в сортах, устойчивых к вирусам и вредителям, способных расти при более низких температурах, нежели «оригиналы», на засоленной или по другим причинам в норме непригодной почве. Нужны растения, дающие больше урожая, содержащие больше определенных питательных веществ.
Кроме того, активно создаются генно-модифицированные микроорганизмы, которые используются для производства различных лекарств, витаминов, пищевых добавок и прочих интересующих человека веществ. Практически весь инсулин сейчас производятся с их помощью.
Генная инженерия нашла применение и в животноводстве: например, знаменитые козы, производящие паутину - прочный и легкий материал, из которого можно делать, к примеру, хирургические нити, или использовать для создания бронежилетов.
Также не стоит забывать о широких возможностях генной инженерии в медицине. Приведу вам пример проблемы, которую могут решить генные инженеры. Людям, страдающим диабетом, сложно поддерживать постоянный уровень глюкозы в крови. Сразу после укола ее концентрация высока, а потом она падает. Чтобы помочь таким пациентам, был придуман альтернативный способ, не требующий шприцов и игл. Можно создать специальные клетки, производящие инсулин, и заключить их в каркасы, допустим, из биополимера. Каркас нужен для того, чтобы иммунная система не атаковала этих чужеродных «помощников». Затем конструкцию следует ввести человеку, и это решает проблему со скачками глюкозы.
Или возьмем технологии пересадки донорских и выращивания искусственных органов. Существует проблема их отторжения. И с помощью генной инженерии мы способны эту проблему обойти. Есть несколько решений: это и генная модификация клеток, из которых орган состоит, и разработка препаратов, которые подавляют иммунную систему, чтобы та не отторгала донорские органы. Был проведен эксперимент, результаты которого дают нам надежду. Ученые из Мэриленда пересадили обезьяне модифицированное сердце свиньи - вы только вдумайтесь, животного другого вида! - и организм примата не отторг его. А если смогли обезьяне, то в будущем сможем и человеку. Сейчас единственная возможность заменить больной орган - взять его у погибшего человека, и многие больные попросту не дожидаются своей очереди. Возможность пересадки органов от генно-модифицированных животных решила бы проблему донорства. Поэтому в ближайшие десятилетия профессия биоинженера вряд ли перестанет быть востребованной, скорее наоборот.
– Кто такой биоинженер?
– Это человек, который умеет редактировать наследственный материал того или иного организма. Однако не следует забывать, что биоинженеры бывают разных специализаций, ведь используемые технологии зависят от объекта - клетки, растения, а может и животного - с которым работает человек.
– Как вы пришли в профессию?
– Я учился в 1543-ей гимназии города Москвы в классе с биологическим уклоном. Мне очень нравились математика и биология. Соответственно, выбор факультета биоинженерии и биоинформатики был для меня логичен, ведь там требовались знания любимых предметов.
И до сих пор мне интересны оба направления. Исследования в биоинженерии зачастую длятся долго: от начала эксперимента до его завершения может пройти несколько лет. Если хочется быстро получить результаты - с этим легче в биоинформатике. Если в голове родилась гипотеза, достаточно написать пару программ, провести несколько анализов и проверить ее. В генной инженерии и молекулярной биологии порой приходится долго стоять на месте, но без экспериментальных данных биоинформатикам не с чем было бы работать. Поэтому эти науки прекрасно дополняют друг друга.
– Куда бы вы посоветовали поступать человеку, который хочет стать биоинженером?
– В основном в биоинженерию приходят люди, имеющие биологическую специальность. Существуют и специализированные факультеты, которые обучают генной инженерии - помимо уже упомянутого мной факультета биоинженерии и биоинформатики в МГУ недавно появился факультет биотехнологий.
Однако, на самом деле, курс генной инженерии небольшой и не очень сложный. На западе генную инженерию преподают даже в некоторых школах. Детям показывают опыты, они могут собственноручно модифицировать бактерии. К примеру, сделать их светящимися в ультрафиолете - для этого в микроорганизмы переносят гены флюоресцирующих белков из медуз. Будущему биоинженеру нужно иметь представление о том, что такое ДНК, как она устроена, но также пригодятся знания математики и статистики. В принципе достаточно получить биологическое образование, а затем освоить необходимые навыки. Можно выбрать для написания курсовой или дипломной работы молекулярную генетическую лабораторию, которая занимается фундаментальными исследованиями с использованием генной инженерии. Заодно студент сможет понять, интересно ли ему заниматься фундаментальной наукой, или стоит после окончания университета идти в прикладную отрасль.
– Какие сильные лаборатории вы могли бы назвать? Куда стоит идти?
– Лаборатории МГУ, Фонда «Сколково», Института биоорганической химии РАН имени М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова (Москва), (Калининград), (Уфа).
– Какие личные качества необходимы для профессии биоинженера?
– Важно быть трудолюбивым и терпеливым. Нередко первых результатов нужно дожидаться пару лет. Опыты приходится повторять, чтобы убедиться в правильности выводов. Также может оказаться, что ваша гипотеза неверна. Нужно стремиться не искать везде подтверждения своих идей, а уметь отказываться от своих представлений, признавать ошибку и менять курс.
Биоинженеру важна аккуратность и повышенное внимание к деталям. Поленись он, к примеру, убрать клетки в термостат, культура будет испорчена, работу придется переделывать, а ведь это может быть труд нескольких недель.
Понадобятся любознательность и увлеченность естественными науками. Некоторым интересно разбираться, как устроена природа, некоторым - не очень, для них может быть более занимательным изучать, как люди думают. Соответственно, таким школьникам лучше подумать о карьере в другой области, хотя и в нейронауках сейчас активно используется генная инженерия.
– Может ли человек, мечтающий стать биоинженером, уже сейчас попробовать себя в практической работе?
– На некоторых фестивалях науки появляются предложения поучаствовать в экспериментах, связанных с биотехнологиями. Политехнический музей организовывал подобные мероприятия. Конечно, здорово участвовать в олимпиадах, но они помогут узнать лишь теоретические аспекты. К сожалению, экспериментальная часть в них отсутствует.
– А есть в генной инженерии люди, которых можно назвать ролевой моделью в профессии?
– В первую очередь, это Крейг Вентер - американский биолог, генетик, автор ряда нашумевших научных проектов. Он был одним из тех, кто прочитал человеческий геном. В то время как над знаменитым проектом «Геном человека» - амбициозной исследовательской программой, ставившей перед собой цель идентифицировать 20–25 тысяч генов и создать огромную базу данных, работало множество стран, Вентер проделал аналогичную работу вместе со своим институтом.
Кроме того, Вентеру впервые удалось создать самовоспроизводящуюся синтетическую клетку. Для этого он взял бактерию и заменил ее «родную» хромосому на искусственно созданную. Получившийся микроорганизм благополучно размножался. За этот эксперимент одно из известных западных изданий написало о нем, что он играет в бога.
Еще один из его известных проектов - прочтение генома Саргассова моря. На первый взгляд, это абсурдно. Как можно прочитать геном моря? Однако в нем живут тысячи организмов, которых никто не видел, но в воде присутствует их ДНК. Если взять пробы из моря, проанализировать все обнаруженные ДНК, то можно найти ДНК ранее неизвестных организмов. Именно это удалось сделать Вентеру.
Впоследствии этот подход стали широко использовать, появился такой раздел молекулярной генетики, как метагеномика, который изучает генетический материал, полученный из образцов окружающей среды или от микроорганизмов, живущих в разных частях тела. Другая экстравагантная личность, вызывающая восхищение - Джордж Черч. Он придумал один из современных методов чтения ДНК. А последнее, чем он прославился - предложил клонировать мамонта.
– Если биоинженеру захочется заняться чем-то другим, куда он может пойти работать?
– В биоинформатики. А если к информатике душа не лежит, он может отправиться в научное представительство, стать консультантом в какой-либо компании, к примеру, инвестиционной, которая вкладывает деньги в разработки, связанные с медициной или биотехнологиями.
– Можете ли вы порекомендовать книги, которые доступно и увлекательно рассказывают о биоинженерии?
– Мне кажется, с доступно написанными книгами по биотехнологиям у нас проблема, которую я попытался решить и написал такую книгу. Она называется «Сумма биотехнологий. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей». В меру своих возможностей я старался понятно и весело изложить информацию о генно-модифицированных организмах, способах их создания, а также других биотехнологиях, которые сейчас активно используются и порой вызывают недоверие у не разбирающихся в этой области людей. В 2016 году книга получила премию «Просветитель» в номинации «Естественные и точные науки». Но если есть желание серьезно разобраться в теме, нужно начинать с чтения учебников по молекулярной биологии.
Подробности Обновлено: 28.01.2019 18:24 Опубликовано: 08.05.2017 12:44
Генным инженером является ученый, который специализируется на изменении особенностей живых организмов путем выполнения манипуляций с их системой ДНК.
История профессии:
Вторая половина XX века - период, когда ученые направляли свою деятельность на проведения исследований и детальное изучение живой природы. В начале 50-х годов, когда мир узнал о молекулярной биологии, ученые получили отличную возможность детально изучить способы хранения и передачи наследственной информации. Это послужило стимулом развития генной инженерии. Возникла необходимость в специалистах, способных создавать новые организмы с измененной генетической структурой, усиливая либо устраняя их определенные качества.
Особенности профессии:
Генный инженер - это человек, который путем применения молекулярного клонирования, может напрямую воздействовать на генетический аппарат живого организма, оперировать разными генами, синтезировать их, переносить от одного вида другому и комбинировать на свое усмотрение. В ходе проведения экспериментов ученый активно применяет методы молекулярной и клеточной биологии, цитологии, генетики, микробиологии и вирусологии. Бессмысленно идти в науку в расчёте на большие доходы и скорую славу.
Сегодня профессия Генный инженер входит в число перспективных, ведь наука не стоит на месте. Достижения генной инженерии сложно переоценить, в частности - медицине и сельском хозяйстве. Вместе с тем, не стоит рассчитывать на скорую славу. Чтобы добиться признания, необходимо проделать колоссальный труд, демонстрируя успешные результаты экспериментов.
Обязанности:
Работа генным инженером предусматривает:
- видоизменение структуры живых организмов на генном уровне с целью усилить их устойчивость к различным вирусам;
- выведение трансгенных растений;
- создание эффективных средств борьбы с насекомыми;
- проведение ряда исследований с целью изучить структуру и специфику генов;
- постоянное наблюдение за подопытным материалом с последующим составлением письменного отчета о проделанной работе и результативности;
- написание научных работ и выступление на конференциях.
Важные качества:
- ответственный подход к выполнению поставленных задач;
- скрупулезность;
- целеустремленность;
- собранность;
- стрессоустойчивость;
- хорошая память;
- аккуратность;
- склонность к экспериментам.
Навыки и знания:
Генный инженер - это специалист, который должен отлично знать такие предметы, как химия, биология и физика. Результативная деятельность в данной области невозможна без знания ключевых технологий генной инженерии и умения правильно использовать профессиональное оборудование. Ученому необходимо в совершенстве владеть английским языком, чтобы не испытывать сложностей при общении с иностранными коллегами и без труда читать литературу.
Перспективы и карьера:
Профессия Генный инженер предусматривает широкий спектр возможности дальнейшего трудоустройства. Специалисты подобного профиля востребованы в НИИ, научных центрах и лабораториях, специализирующихся на создании лекарственных препаратов клиниках и организациях.
Что касается продвижения по карьерной лестнице, то начальной ступенькой является должность помощника лаборанта. При наличии нужного количества практического опыта и безукоризненном выполнении своих обязанностей, специалист вправе рассчитывать на возможность проводить самостоятельные исследования. Перед ним открывается перспектива спустя некоторое время занять место старшего научного сотрудника.
При отсутствии желания заниматься научной деятельностью, есть отличный шанс создать собственное дело, выращивая трансгенные продукты и животных для дальнейшей реализации либо трудиться на должности агронома в одной из сельскохозяйственных организаций.
Обучение:
Работа генным инженером возможна при наличии у претендента на вакантное место диплома о высшем образовании специальности «Генетика», «Биология» либо «Микробиология». С целью совершенствования профессиональных навыков стоит посещать квалификационные курсы, изучать материалы передового опыта и читать специализированную литературу.