Перспективы использования в селекции генной и клеточной инженерии

Для того чтобы обеспечить себя доброкачественной пищей и сырьем и при этом не привести планету к экологической катастрофе, человечеству необходимо научиться эффективно изменять наследственную природу живых организмов. Поэтому не случайно главной задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной и клеточной инженерии. Генная (генетическая) инженерия. Это раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых молекул ДНК, способных размножаться в клетке-хозяине и осуществлять контроль за синтезом конечных продуктов метаболизма. Возникнув на стыке химии нуклеиновых кислот и генетики микроорганизмов, генная инженерия занимается расшифровкой структуры генов, их синтезом и клонированием, встраиванием выделенных из клеток живых организмов или вновь синтезированных генов в клетки растений и животных с целью направленного изменения их наследственных свойств. Для осуществления переноса генов (или трансгенеза) от одного вида организмов в другой, отдаленный по своему происхождению, необходимо выполнить несколько сложных операций:

  • выделение генов (отдельных фрагментов ДНК) из клеток бактерий, растений или животных. В отдельных случаях эту операцию заменяют искусственным синтезом нужных генов;
  • соединение (сшивание) отдельных фрагментов ДНК любого происхождения в единую молекулу в составе плазмиды;
  • введение гибридной плазмидной ДНК, содержащей нужный ген, в клетки хозяина;
  • копирование (клонирование) этого гена в новом хозяине с обеспечением его работы.

Клонированные гены путем микроинъекции вводят в яйцеклетку млекопитающих или протопласты растений (изолированные клетки, лишенные ферментативной обработкой клеточной стенки) и из них выращивают целых животных или растения, в геном которых встроены клонированные гены. Растения и животные, геном которых изменен путем генноинженерных операций, получили название трансгенных растений или трансгенных животных. Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека; а также трансгенные растения с генами других, неродственных видов. Трансгенные организмы свидетельствуют о больших возможностях генной инженерии как прикладной ветви молекулярной генетики. Например, в последние годы получено новое поколение трансгенных растений, для которых характерны такие ценные признаки, как устойчивость к гербицидам, к атаке насекомых и др. Есть все основания предполагать, что уже в ближайшем будущем будет решена проблема направленного изменения наследственности высших растений, что приведет к революции в сельском хозяйстве. В первую очередь речь пойдет о создании симбиоза между злаками и азотфиксирующими клубеньковыми бактериями, а это решит проблему азотных удобрений. Разрабатывается метод переноса в определенные растения более эффективных ферментативных систем метаболического пути фиксации атмосферного углерода (темновой фазы фотосинтеза, или цикла Кальвина), что позволит повысить скорость фиксации СO2 и продуктивность фотосинтеза культурных растений. Важным шагом к победе не только над генетическими болезнями, но и над старостью будут получение векторов, безопасных для клетки, и окончательная разгадка механизма активации, «включения и выключения» генов. Тогда у врачей появится возможность заменять в организме пожилых людей поврежденные в результате мутаций гены на нормальные. Хромосомная инженерия растений основывается на возможности замены отдельных хромосом или даже их фрагментов на сестринские от другого генотипа этого же или иного вида. Доказано, что некоторые фрагменты хромосом донора могут при соответствующих условиях встраиваться в хромосомы реципиента. Решение проблемы целенаправленного переноса участков хромосом может оказать революционное влияние на процесс селекции по двум причинам:

  1. для такого переноса можно использовать естественные механизмы, созданные природой;
  2. получать фрагменты хромосом значительно легче, чем выделять отдельные гены и пытаться встраивать их в геном реципиента.

Клеточная инженерия основана на использовании методов культивирования изолированных клеток и тканей на искусственной питательной среде в экспериментальных условиях. Этот метод основан на способности растительных клеток в результате регенерации формировать целое растение из единичной клетки. Условия регенерации разработаны для многих культурных растений: картофеля, пшеницы, ячменя, кукурузы, томата и др. Работа с этими объектами делает возможным использование в селекции нетрадиционных методов клеточной инженерии, таких, как соматическая гибридизация, гаплоидия, клеточная селекция, преодоление нескрещиваемости в культуре и др. Соматическая гибридизация — это слияние двух различных клеток в культуре тканей. Сливаться могут разные виды клеток одного организма и клетки разных, иногда очень далеких видов, например: мыши и крысы, кошки и собаки, человека и мыши. Очень важное направление клеточной инженерии связано с ранними стадиями эмбриогенеза. Например, оплодотворение яйцеклеток в пробирке уже сейчас позволяет преодолевать некоторые распространенные формы бесплодия у человека. У сельскохозяйственных животных с помощью инъекции гормонов удается получить от одной коровы-рекордистки десятки яйцеклеток, оплодотворить их в пробирке спермой породистого быка, а затем имплантировать в матку других коров и таким путем получить от одного ценного экземпляра в 10 раз больше потомства, чем это было возможно обычным путем. Культуру растительных клеток выгодно использовать для быстрого размножения медленно растущих растений: женьшеня, маслинной пальмы, малины, персиков и др. Так, при обычном разведении куст малины может дать не более 50 отростков и год, в то время как с помощью культуры клеток можно получить более 50 тыс. растений. При таком разведении иногда возникают растения более продуктивные, чем исходный сорт. Так были получены новые ценные сорта картофеля и грейпфрута.