Например, так делают вирусы, чтобы выживать и размножаться. Человек тоже учится менять ДНК. В этом суть профессии генного инженера. Он стремится получить желаемые признаки и, наоборот, избавиться от неподходящих. Рассказываем, чем занимается этот специалист на примере растений и предлагаем понаблюдать за его работой.
Генный инженер — это специалист, который изменяет структуру ДНК живого организма, например, растения, животного или даже бактерии. Он может получать полезные для человека свойства, которые ранее не встречались у представителей вида.
Живые организмы состоят из клеток. Бактерии — из одной, а животные, растения и грибы — из множества. У каждой клетки есть свои функции и в каждой хранится одна и та же информация в виде молекулы ДНК. Это можно сравнить с работой компьютера, где на жестком диске записан весь код для его работы. И при этом каждая часть выполняет определённые задачи. Но в живом организме всё гораздо сложнее!
Чем занимается генный инженер
Представьте: мы стали генными инженерами и хотим получить светящиеся в темноте растения, причем биолюминесцентные. Это значит, что растения недостаточно покрасить специальной краской. Нужно зашифровать такой «светящийся» признак в геноме!
Ещё до начала исследования мы должны тщательно подготовиться. Во-первых, выбрать гены, с которыми хотим работать и изучить уже известную информацию о них.
Во-вторых, подобрать методы работы. Поскольку мы новички в этом деле, будем работать в команде с более опытными учеными. Нам дадут алгоритм действий, который нужно строго соблюдать и стараться не допускать ошибок.
На следующем шаге необходимо определить последовательность ДНК, чтобы исследовать геном и жизнедеятельность растения. Такую работу мы проводим с помощью специального прибора — секвенатора. На этом этапе нужно понять, пригоден ли этот вид растения для эксперимента. Вдруг выяснится, что при вставке нового «светящегося» гена растение не сможет долго жить или признак проявится не так, как мы планируем.
Для получения гена, отвечающего за свечение, мы делаем следующее:
Изучаем несколько существующих видов бактерий, которые могут светиться. Берем одну бактерию и вырезаем из плазмиды — небольшой кольцевой ДНК — нужный ген.
С помощью ферментов соединяем концы плазмиды и возвращаем обратно в бактерию. Этот процесс похож на работу швеи, только мы работаем не с тканью, а с небольшими молекулами.
Выделенную ДНК многократно копируем с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР). Это позволяет проанализировать ДНК и увидеть нарушения, если они есть. ПЦР проводят в амплификаторе — это еще один специальный прибор для биологов.
Из растения выделяем клетки, которые способны к делению. В них встраивается ДНК светящейся бактерии.
Дальше мы снова работаем как «молекулярные» швеи: нам необходимо вставить ДНК в строго определенное место. Мы разрезаем ДНК «молекулярными ножницами» — ферментами-рестриктазами — в нужном месте. Затем мы вставляем «заплатку»: вводим ДНК с помощью вирусов. Из них удаляется вредная ДНК, и мы вставляем на это место ДНК бактерий. В конце нам нужно «пришить заплатку»: с помощью ферментов-лигаз сшить кусочки ДНК.
Клетки растений с измененной ДНК размножаются на питательной среде. Из каждой вырастает растение, способное светиться. Конечно, встречаются и исключения: некоторые погибают или просто не перенимают признак. Нужно отобрать биолюминесцентные растения и именно их размножить.
Только что мы примерили профессию генного инженера. Но этот эксперимент далеко не все, чем занимается этот специалист. Например, генный инженер может создавать растения, богатые витамином А, или редактировать геном эмбриона коровы, если ему от родителей достался «неправильный» ген.
Обычно такой путь от исследования до получения результата занимает от года до нескольких лет. Пока идет эксперимент генный инженер заполняет лабораторный журнал и при успешных опытах регистрирует свои результаты. А если были совершены ошибки, то опыты повторяют.
Генный инженер и безграничная власть
Генный инженер не может создавать абсолютно все, что хочет. Например, нельзя получить бактерию, чтобы она создавала все гормоны, необходимые человеку, в нужном количестве.
Во-первых, этой бактерии, помимо синтеза веществ для человека, нужно успевать дышать, питаться, расти, двигаться. Во-вторых, нет универсального живого существа для генной инженерии. Одни гены подавляются, а другие активируются в разных организмах по-своему.
В третьих, в России с 2016 года введен закон, запрещающий выращивание генетически модифицированных растений и животных (ГМО). За исключением проведения научных исследований, нельзя производить эксперименты над геномом человека и применять большинство методов на животных. Пока неясно, как ГМО может повлиять на существование экосистем и может ли геном таких существ изменить наш.
В-четвертых, эксперименты могут стать угрозой для экосистем или биологическим оружием. Президент России Владимир Путин отмечает, что те, кто выйдут на первые позиции в этой области, будут обладать оружием страшной разрушительной силы.
Зачем генный инженер постоянно сидит в лаборатории
Во имя науки. Важно узнавать механизмы, с помощью которых ДНК активируется в каждой клетке.
Для практических нужд сельского хозяйства. Можно получать культуры, которые обычно не растут на определенных территориях из-за климата, состава почвы или недостатка света. Ученые редактируют геном и выращивают растения, которые не только устойчивы к таким условиям, но и дают ещё больший урожай. Кроме того, культурным растениям вводят гены устойчивости к пестицидам, чтобы они не страдали от химикатов. Например, картофелю вводят ген устойчивости к гербицидам, которые уничтожают сорняки.
Для лечения генетических заболеваний — путем редактирования генома и некоторых болезней, связанных с обменом веществ. Так, генетически модифицированные бактерии могут синтезировать необходимые вещества, которые вводятся человеку.
Для улучшения экологии. Ученые создают бактерии, которые могут поглощать и перерабатывать промышленные отходы и очищать окружающую среду от загрязнений
Основные методы работы в сельском хозяйстве
Генетические ножницы. Помогают редактировать гены за счет технологий CRISPR-Cas9, TALEN, ZFN. Ученые разрезают ДНК в нужном месте, вставляют нужный ген и сшивают ДНК.
Селекция. Генные инженеры размножают организмы с новыми свойствами, например, получают морозоустойчивую клубнику.
Гибридизация. Специалисты скрещивают организмы с разными свойствами и получают полезные сочетания. Так ученые создали клубнику, которую мы выращиваем в огороде и так любим есть.
Гибридологический анализ. Необходим для изучения частоты проявления признака у потомства, так как не всегда новые характеристики могут проявиться у следующего поколения.
Какие приборы использует генный инженер
Центрифугу — для разделения смеси веществ на основе их разной плотности и получения определенного вещества, например, белков.
Спектрофотометры — для оценки количества ДНК, РНК и белков. Это необходимо для определения точных концентраций веществ в экспериментах.
Холодильники — для длительного хранения образцов ДНК,
Хроматографы — позволяют разделять сложные смеси на основе химических свойств.
Инкубаторы — поддерживают строго определенную температуру, влажность, концентрацию газов для роста и развития бактерий, растений, животных,
Автоклавы — обеспечивают стерильность и убивают микробы, которые могут повлиять на ход эксперимента.
Стандартное лабораторное оборудование: пробирками, колбами, реактивами, чашками Петри, пипетками и прочим.
Где можно этому научиться
Чтобы провести настоящий эксперимент и отредактировать геном, например, вырастить розы без шипов, ученому необходимо многое знать и уметь.
Конечно, нужно получить высшее образования. Лучше по специальностям «Биология», «Генетика» или «Микробиология». Смело поступайте на направления «Биотехнология» и «Биоинженерия и биоинформатика», которые есть во многих известных российских вузах, среди них:
Российский биотехнологический университет «РОСБИОТЕХ»,
МГУ им. М. В. Ломоносова,
Российский государственный аграрный университет им. Тимирязева,
Московский физико-технический университет,
Сеченовский университет,
Санкт-Петербургский политехнический университет им. Петра Великого.
Генному инженеру должен хорошо разбираться и в других областях знаний: биоинженерии, математике, биохимии. Точно пригодятся аналитический склад ума и умение работать в команде. Специалист должен быть аккуратным и скрупулезным. А еще — готовым к публичным выступлениям. Придется регулярно представлять результаты своих исследований на конференциях.
Только обладая нужными навыками и знаниями, получится успешно манипулировать генами. И получить-таки тот самый сорт неколючей розы. Кстати, с этой задачей успешно справилась международная команда ученых из Испании и США.
Где работают генные инженеры
Такие специалисты могут работать в самых разных областях науки: сельское хозяйство, медицина, экология. Даже в области ядерных разработок! Например, заниматься ядерной медициной или разработкой наноматериалов в Курчатовском научно-исследовательском институте.
Генные инженеры не проводят эксперименты в тайных лабораториях где-нибудь под землей, как любят показывать в фильмах. Основное место работы ученого — научные лаборатории и научно-исследовательские институты. Специалисты разбиваются на команды и работают над одним или несколькими проектами. Зарплаты варьируют от конкретной области наук и проекта.
Средняя зарплата начинающего генного инженера — около 40 тысяч рублей в месяц, опытные ученые получают 70-80 тысяч рублей в месяц, а ведущие специалисты — от 100 до 150 тысяч рублей в месяц.
Талантливый и целеустремленный генный инженер может получить ученую степень. Стать кандидатом, доктором биологических или медицинских наук, получить должность старшего научного сотрудника. А если есть лидерские качества, то стать ведущим специалистом или руководителем организации.
Обложка и иллюстрации сгенерированы ИИ: Sora .
Комментарии