Гендік инженерия жайлы түсінік
Ген инженериясы дегеніміз молекулалық биологияның жаңа саласы. Ол лабораториялық әдіс арқылы генетикалық жүйелер мен тұқымы өзгерген организмдерді алу жолын қарастырады. Ген инженериясының пайда болуы генетиканың, биохимияның, микробиологияның және молекулалық биологияның жетістіктерімен байланысты. Бұл атаудың екі түрі қолданылады: “генетикалык инженерия” және “ген инженериясы”. Соңғы кезде “генетикалық инженерия” жалпылама түрде қолданылып жүр, ген инженериясы да осының ішіне кіреді.
Генетикалық инженерия дегеніміз клеткаларда өздігінен көбейе алатын, белгілі бір затты синтездеуге қабілетті тұқым қуалаушылық материалдарын қолдан жасайтын молекулалық биолгияның жаңа саласы.
Ген инженериясының дүниеге келген уақыты 1972 жыл деп есептеледі. Сол жылы АҚШ-та П. Бергтің тобы алғаш рет пробиркада үш түрлі (маймылдың SV 40 онкогендік вирусының толық геномы, λ-бактериофагынын геномының бөлшегі және Е. соlі (ішек таяқшасы) лактозалық оперонының гені) микроорганизмнің ДНҚ-ларының фрагменттерінен жаңа гибридтік ДНҚ құрастырды. Бірақ маймылдың рак вирусының, бактериофагтың және ішек бактериясының гендік ДНҚ-ларынан құрастырылған ол гибридтік ДНҚ-ның клетка ішінде ойдағыдай жұмыс істей алатындығы тексерілмеді, себебі құрамында рак вирусының нуклеин қышқылы болғандықтан ғалымдар тәуекелге бармады.
Клеткада жүмыс істей алатын гибридтік ДНҚ-ны 1973 жылдары алғаш С. Коэн, Д. Хелински мен Г. Бойер құрастырды. Олар басқа организмнен бөліп алған ДНҚ фрагментін (генін) бактерия плазмидасының құрамына еңгізді. Ол плазмидадағы бөтен гендердің алғаш рет жаңа организм ішінде жұмыс істей алатынын көрсетті. Соның артынша-ақ дүние жүзінің көптеген лабораторияларында жүмыс істей алатын әр түрлі плазмидалар алынды. Совет елінде ондай бөтен гені бар плазмида академик А.А. Баевтың басшылығымен жасалды.
Ген инженериясы деп рекомбинантты ДНҚ-лар жасап, оларды басқа тірі клеткаларға еңгізуді айтады. Ген инженериясы шешетін мәселелер:
- генді химиялық немесе ферментті қолдану жолымен синтездеу;
- әртүрлі организмнен алынған ДНҚ фрагменттерін бір-бірімен жалғастыру (ДНҚ рекомбинанттарын алу);
- бөтен генді жаңа клеткаға векторлық ДНҚ аркылы жеткізу және олардың қызмет жасауын қамтамасыз ету;
- клеткаларға гендерді немесе генетикалық жүйелерді еңгізу және бөтен белокты синтездеу;
- бөтен генге ие болған клеткаларды таңдап бөліп алу жолдарын ашу.
Ген инженериясында генді мынадай әдістермен алуға болады:
- клеткадағы ДНҚ-дан тікелей кесіп алу;
- химиялық жолмен синтездеу;
- аРНҚ-дан кері транскриптаза арқылы синтездеу.
Бірінші әдіс ген инженериясының дамуының алғашқы кезеңінде қолданыла бастады. Белгілі организмнің ДНҚ-сын тугелімен әр түрлі рестриктазалармен үзіп, әр түрлі фрагменттер алады. Содан кейін оны клетка ішінде “аркалап” кіргізе алатын сақиналы (дөңгелек) плазмидалармен жалғайды, Ол үшін плазмиданы да рестриктазалармен үзеді, оған әлгі ДНҚ фрагменттерін қосып жалғап, қайтадан бүтін плазмидалар алады. Бұл плазмидалардың әрқайсысының құрамында бір немесе бірнеше бөтен ДНҚ фрагменті (гені) болады, Одан кейін ол плазмидаларды қайтадан бактерияға еңгізеді. Осының нәтижесінде бактерия клеткасының әрқайсысында басқа организм генінің, бір түрі болады, Осындай әртүрлі бөтен гендері бар бактерия клеткаларының жиынтығын немесе коллекциясын “гендер банкі” кейде “гендер кітапханасы” деп атайды. Зерттеушілер ол банкіден уақытында қажет белоктың генін жаңадан тауып алады. Осындай гендер банкі қазір Ресейде, Батыс Европада және АҚШ-та жасалған.
Химиялық жолмен жасанды генді 1969 жылы Г. Корана синтездеген. Бірақ оған жалғасқан промотор тізбегі мен транскрипцияны аяқтайтын кодондар болмағандықтан, ол клетка ішінде ешбір қызмет көрсете алмады. Гендрді химиялық синтздуге нуклеин қышқылдарындағы нуклеотидтердің орналасу тәртібін анықтау әдісін тапқаннан кейін ғана мүмкіндік туды. Бұл әдістерді тапқан Д. Джильберт пен Ф. Сэнгер. Ғалымдар генді белоктың құрамындағы амин қышқылдарына қарап отырып синтездеуді де үйренді, (3 нуклеотид – 1 кодон – 1 амин қышқылы деген заңдылық бойынша). Соның ішінде қолдан синтезделген ең ұзын ген, адамның самототропин (өсу) гені, ол 584 нуклеотидтен тұрады. Оны бактериядағы басқа геннің промоторына жалғастырып, плазмида арқылы бактерия клеткасына еңгізді. Соның нәтижесінде бактерияның бір клеткасы 3 млн-ға дейін адам самототропин молекуласын жасай алатын болды. Адам инсулині де химиялық жолмен синтезделіп, осы айтылған жолмен бактерияға еңгізілді.
Инсулин генін 40 аса алты мүшелік олигонуклеотидтерден тұратын түрінде бөліп алып, кейін ДНҚ-лигазаның кемегімен біріктірген. Алынған үзындығы 271 және 286 нб қос тізбекті полинуклеотидтер плазмидаға еңгізілді. Оған қоса бұдан молекулалардың экспрессиясын камтамасыз ететін, ДНҚ-ның реттеуші учаскелері де енгізілді. Клонданған (өркендетілген) гендер проинсулиннің синтезін кодтады, ал оны қарапайым химиялық өңдеу арқылы қос А және В полипептидтік тізбектен тұратын, ұзындығы 21 және 30 амин қышқылдарының қалдықтарынан тұратын, өзара дисульфидтік байланыстары бар белсенді гормонға айналдыруға болады.
Жасанды әдіспен генді ферменттік синтезге сүйене отырып, кері транскрипция механизмнің көмегімен алуға да болады. Бұл механизм РНҚ-ға тәуелді ДНҚ-полимеразаның немесе кері транскриптазаның (ревертазалар) белсенділігіне байланысты. Бұл фермент ең алғаш он-когендік (залалды ісік) вирустарды зерттегенде табылған. Фермент әртүрлі РНҚ-ларда, синтетикалық полинуклеотидтерді қоса, ДНҚ-ның көшірмесін құра алатын қабілеті бар. Ревертазаның көмегімен, сәйкес иРНҚ-ның қатысуымен, іс жүзінде кез келген бөліп алуы жақсы игерілген генді алуға болады. Бұл әдісті белгілі бір тканьдарда өте қарқынды транскрипцияланатын гендерге қолдану тиімді.
Осындай әдістермен адамның, сүтқоректілер мен құстардың кодтаушы глобиндері, өгіздің көз хрусталигінің (көз жанары) белогы, жұмыртқа белогы, жібек фибрионы (талшығы) және тағы басқа гендер алынды да өркендетілді.
Ферментті синтездеп, пробиркада РНҚ молекуласынан ДНҚ генінің комплементарлы тізбегін жазып алуды транскрипция дейді. Синтездеу үшін қолданылатын жүйе құрамында ДНҚ-ға кіретін төрт нуклеотид, магний ионы, кері транскриптаза ферменті және генмен кодталған көшірмесін алатын иРНҚ бар. иРНҚ-дан кері транскрипта-за, оған сәйкес ДНҚ тізбегін синтездеп, сол ферменттің көмегімен ДНҚ-ның екінші тізбегі синтезделеді. Осының нәтижесінде иРНҚ-да синтезделген ген құрылымына ұқсас ген пайда болады. Осы әдіспен көптеген елдің лабораториясында бірнеше гендер тобы алынды.
Гендік инженерияда жасанды гендер ситездеумен қатар рекомбинантты молекуласын құрастыру үшін табиғи гендер де пайдаланылады. Ол гендерді векторлық ДНҚ молекуласына байланыстыру бактериялық ферменттер рестриктазалар арқылы іске асырылады. Бактерия клеткасындағы қорғанштық қызмет атқаратын рестриктазалар клеткаға енген бөтен ДНҚ-ны жою мақсатыкда оны бірнеше бөліктерге кесіп тастауға қабілетті келеді. Кесілген ДНҚ фрагменттері шамалы уақыттан кейін комплементарлық принцкп бойынша лигаза ферментінің көмегімен қайта жалғанып, ДНҚ-ның сақина тәрізді пішіні қалпына келеді. Осы әдіспен түрлі клеткалардан немесе хромосома учаскелерінен алынған ДНҚ кесінділерін жалғастырып рекомбинантты ДНҚ молекуласын алуға мүмкіндік туды. Векторлар ретінде ДНҚ-дан басқа да фогтар, вирустар, пазмидтер, эписомдар қолданылады.
Генетикалық инженерияның алдына қойған мақсаты алуан түрлі, өйткені бұл әдісті пайдалану турлі деңгейде жүреді. Олар:
- организмдік деңгей
- клеткалық деңгей
- гендік деңгей
Организмдік деңгейде генетикалық инженерияны қолданудың мысалы ретінде аллофендік жануарларды (тышқанды) алуға болады. Бірнеше аналық тышқанның жатырынан дамудың 8 бластомерлік кезеңіндегі ұрықтарды шығарып алып, түтікше ішінде ол бластомерлерді бір-бірінен ажыратады, Түрлі особътардан алынған осы бластомерлерді араластырып түзілген қоспа бластуланы дамуының гаструлалық кезеңінде бір аналық тышқанның жатырына енгізіп дамуды жалғастырады. Дүниеге келген аллофенді тышқанның фенотипінде барлық ата-аналарна тән белгілер қайталанғанымен, бірқатар өзіндік жаңа қасиеттер де пайда болады. Ендеше, ересек жағдайда ұлпалары бір-біріне иммунологиялық жағынан сәйкес келмейтін особьтардың клеткаларынан осы жолмен қалыпты дамып жетіліп, тіршілік етуге қабілетті аллофендік ұрпақ алуға мүмкіндік туады.
Клеткалық деңгейде әр түрге жататын организмдердің сомалық клеткаларын будандастыру арқылы бірнеше генотиптен құралған бұдан клетка алынады. Мысалы “адам-тышқан” будандық клетканы алып, одан адам хромосомаларын біртідеп шығарып тастайды, Жойылған қайсы бір хромосомадан кейнгі байқалатын клеткалық фенотиптік өзгерістерге қарай отырып адамның тіркесу топтарының гендік құрамын анықтайды.
Гендік децгейде — тұқым қуалаушылықты басқару жолы гендік инженерия деп аталады. Мұндағы мақсат қолдан жасанды гендер алып немесе даяр гендерді басқа организмдердің геномына енгізу арқылы олардың фенотиптерін қалаған бағытта өзгерту. Гендік инженерияның негізгі әдістері осы ғасырдың 60-70 жылдары қолданыла бастады. Бұл әдіспен организмдердің генотиптері мен рекотиптерін өзгерту жұмыстары мынадай төрт кезеңнен тұрады:
- Қажетті генді донорлық клеткадан бөліп алу немесе жасанды түрде синтездеу;
- Реципиент-клеткасына енгізуге қабілетті векторлық ДНҚ-ға осы генді байланыстыру;
- Реципиент-клеткасының геномына генді енгізу. Гендердің экспериментальды түрде басқа геномга тасымалдануын трансгенез деп атайды;
- Геннің жұмыс істеуіне сай транскрипция және трансляция нәтижесінде реципиент-клетканың фенотиптік өзгерістерін бақылау.Қазіргі генетикада генді организмнсн тыс синтездеудің екі әдісі бар: химиялық және ферментативтік.
Гендік инженерия жетістіктерінің қолданылуы
Гендік инженерия жетістіктерін қазіргі кезде өкеркәсіптік көлемде жануарлар мен адамның антибиотиктерін, витаминдерін, гормондарын синтездейтін микроорганизмдердің жаңа штамдарын шығаруға пайдалануда. Соңдай-ақ, адамның көптеген ауруларына себепші болатын вирустың бөліп алынған гендері бактерия клеткасына енгізіліп жан-жақты зерттелуде. Олай болса, адамзатты бірқатар тұқым қуалайтын аурулардан арылтуда гендік: инженерияның болашағы зор деп есептеледі.
