Рождение генной инженерии состоя­лось в начале 70-х гг. XX в., когда учё­ные обнаружили, что фрагменты ДНК, принадлежащие двум различным ви­лам организмов, можно соединить в пробирке (in vitro) и получить в резуль­тате новую молекулу ДНК.

Научившись делать это, люди обре­ли возможность управлять генами, «пе­ретасовывать» их, комбинировать по своему вкусу. Искусственно полученные молекулы ДНК стали называть рекомбинантными (приставка «ре-» в данном слу­чае переводится с латыни как «вновь», т. е. рекомбинантная молекула — это но­вая комбинация из исходных молекул).

Чтобы получить рекомбинантную ДНК, необходимо «вырезать» нужные фрагменты из исходных ДНК, а затем «склеить» их между собой. Для этого требуются очень точные и эффектив­ные молекулярные инструменты. Ока­залось, что они уже есть в живой клет­ке. Это ферменты — универсальное изобретение природы, взятое на воору­жение генной инженерией.

Для «разрезания» молекулы ДНК, очевидно, нужны ферменты-«ножницы». В ходе исследований, проводимых над бактериями, учёные обнаружили ферменты, которые гидролизуют связи между нуклеотидами. Это и есть так необходимые генной инженерии ферменты-«ножницы». У бактерий они выполняют функции генных «погра­ничников» — защищают клетку от чуже­родной ДНК. За свою биологическую роль ферменты-«ножницы» получили название рестриктазы (от лат. restrictio — «ограничение»).

Каждая рестриктаза способна «узна­вать» только собственный участок в молекуле ДНК — строго заданную по­следовательность нуклеотидов. Как пра­вило, эта последовательность состоит из четырёх — восьми нуклеотидов. «Нож­ницы» просто разрезают обе цепочки двойной спирали ДНК в районе участ­ка узнавания. В результате исходная мо­лекула распадается на две половинки.

Обнаружено очень большое количе­ство участков узнавания. Поэтому почти всегда найдутся два таких участка, меж­ду которыми в полимерной молекуле ДНК расположен нужный учёным фраг­мент. Взяв соответствующие ферменты-«ножницы», этот фрагмент можно «вы­резать» из исходной ДНК. Если затем «склеить» разные фрагменты, получит­ся новая искусственная (рекомбинантная) ДНК. На молекулярном уровне «склеивание» означает образование межнуклеотидных связей между фраг­ментами. Для этого требуется особый фермент — фермент-«клей». В 1967 г. учёные нескольких лабораторий одно-

временно обнаружили такой фермент. Он получил название ДНК-лигаза (от лат. ligare — «связывать»). Примерно в то же время впервые удалось выделить рестриктазы. После этих открытий в ру­ках учёных оказался полный набор ин­струментов для создания искусственной ДНК — и «ножницы» (рестриктазы), и «клей» (ДНК-лигаза).

Рекомбинантную ДНК «собирают» с помощью набора молекулярных «ножниц» и «клея», соединяя между собой самые разнообразные ДНК-фрагменты. А они могут принадлежать организмам, сколь угодно далеко отстоящим друг от друга на эволюционной лестнице.

Главная задача генной инжене­рии — придать клетке новые генетиче­ские свойства. Для этого нужно, во-пер­вых, ввести в клетку ДНК, содержащую чужеродные гены, а во-вторых, обеспе­чить их передачу потомству такой клет­ки (её называют клеткой-хозяином). В природе наследственная информация передаётся благодаря удвоению моле­кул ДНК. Механизм удвоения невероят­но сложен, в нём участвует очень боль­шое количество белков. Чужая ДНК сможет размножаться с помощью меха­низма удвоения клетки-хозяина, если такие белки примут её за свою. Для это­го ей требуется своеобразная «кноп­ка» — фрагмент ДНК, отвечающий за удвоение всей молекулы.

Состав фрагмента-«кнопки» зависит лишь от природы клетки-хозяина. Ины­ми словами, процесс размножения лю­бого чужеродного гена можно привес­ти в действие, «нажав» на «кнопку», и только клетка-хозяин знает, как пра­вильно это сделать.

В каждой молекуле ДНК клетки-хо­зяина есть такая «кнопка». Основной наследственный материал у всех орга­низмов хранится в длинных молекулах ДНК, составляющих хромосомы. Мож­но было бы использовать именно их как молекулы с «кнопкой». Но оказалось го­раздо удобнее, чтобы «кнопка» была расположена в молекуле ДНК неболь­шого размера, замкнутой в кольцо и имеющей по одному участку узнавания для различных ферментов-«ножниц». Такую молекулу можно разрезать каки­ми-нибудь «ножницами», а затем при участии фермента-«клея» вставить в неё чужеродный ген. В итоге получит­ся кольцевая рекомбинантная ДНК, способная размножаться в клетке-хо­зяине. Это значит, что клетка приобре­тёт новые генетические свойства.

Такие молекулы стали ещё одним подарком природы для генных инжене­ров. Как и молекулярные «ножницы» с «клеем», их не требовалось специально изобретать. У бактерий были обнару­жены молекулы ДНК, не входящие в состав хромосом. Они замкнуты в коль­цо и относительно невелики по размерам — от двух до нескольких сотен ты­сяч пар нуклеотидов (для сравнения: размер хромосомы кишечной палочки Escherichia coli составляет несколько миллионов пар нуклеотидов).

Для генной инженерии самое важное свойство этих молекул — наличие «кноп­ки». Благодаря ей они способны само­стоятельно размножаться в клетках тех организмов, из которых были выделены. Называются такие молекулы ДНК плазмидами. Если в плазмиду вставить чуже­родный ген, то он будет размножаться вместе с ней в клетке-хозяине.

Молекулы ДНК с «кнопкой», которые учёные стали использовать для генно-ин­женерных исследований, были названы векторами (лат. vector — «несущий»). Помимо плазмид в природе найден другой источник векторов — ДНК ви­русов. Вирусная ДНК может самостоя­тельно размножаться в клетках тех ор­ганизмов, которые обычно заражает данный вирус. Вот почему это неплохая основа для получения векторов.

Рекомбинантная ДНК не может просто так проникнуть в клетку, пото­му что та окружена непроницаемой для ДНК оболочкой. Однако если оболоч­ку слегка «повредить», клетка приобре­тёт способность поглощать ДНК из ок­ружающей среды, причём после этого останется жизнеспособной и передаст приобретённые ею новые гены своему потомству. Генные инженеры изобрели

самые разные способы такого лёгкого воздействия на клетки, не оставив в сто­роне ни химию, ни физику, ни биоло­гию. Например, у одного из главных объектов генной инженерии — бакте­рий Escherichia coli — проще всего об­работать клетки раствором хлорида кальция.

-Развитие любых наследственных признаков возможно только тогда, ког­да в клетке начнётся синтез белков, за­шифрованных соответствующими гена­ми, т. е. экспрессия. Учёные научились создавать векторы, которые обеспечи­вают экспрессию практически любых генов. Такие векторы называют экспрессирующими.

Первым и, наверное, до сих пор главным объектом исследований в обла­сти генной инженерии являются бакте­рии Escherichia coli. Однако генная ин­женерия не остановилась на бактериях. Учёные научились придавать новые ге­нетические свойства животным и расте­ниям. Их стали называть трансгенными организмами. А знаменитый американ­ский физик Стивен Хокинг уже предре­кает в III тысячелетии бурное развитие генной инженерии человека: «Конечно, многие скажут, что генную инженерию человека нужно запретить. Но я сомне­ваюсь, будут ли они в состоянии воспре­пятствовать этому». Итак, хорошо это или плохо, но мы стоим на пороге новой эры в истории человечества.

Схема получения рекомбинантной ДНК.