Оправдает ли генная инженерия свои обещания

Содержание

1. «Геномные ножницы» — технология, которая фактически меняет мир
2. Что такое генная инженерия: принципы и применение
3. Какие возможности открывает CRISPR/Cas9
4. Источники

Манипулирование генами для исправления наследственных заболеваний, препятствия развитию онкологии или улучшения урожая в сельском хозяйстве — идеи не новые. И генная инженерия (genetic engineering) смогла далеко шагнуть в этих направлениях, несмотря на то, что более ранние технологии испытывали трудности из-за своей небезопасности или чрезмерной сложности. В статье расскажем о том, что сегодня представляет собой генная инженерия, какую роль играет в решении вопросов долголетия и развития биотехнологий и в чем суть CRISPR/Cas9 — редактора генома, который повсеместно используется в фармацевтических лабораториях, вдохновляет на поиск совершенных инноваций.

Что такое генная инженерия: принципы и применение

Это понятие входит в область биотехнологии, которая занимается изменением и влиянием на ДНК различных организмов (в том числе и человека) для получения нужных характеристик. Например, может применяться для улучшения селекции крупного рогатого скота или для повышения устойчивости человеческого организма к различным воспалениям, которые не только приводят к развитию хронических заболеваний, но и ускоряют процессы старения.

Genetic engineering объединяет набор методов и технологий, которые позволяют ученым выделять гены из клеток и проводить с ними различные манипуляции от получения рекомбинантных РНК/ДНК до введения выделенного генетического материала в другие организмы.

В широком смысле genetic engineering — это не наука, а инструмент биотехнологии, основанный на методиках других биологических наук: генетики, вирусологии, клеточной биологии и так далее.

В чем суть этого «инструмента», и какие принципы в нем заложены:

• Изменение ДНК любой органики. Специальные редакторы позволяют исследователям выделять гены, вставлять их, удалять или изменять.
• Получение рекомбинантных ДНК. Под рекомбинацией подразумевается создание макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, которая состоит из ДНК-фрагментов, выделенных из разных организмов.
• Введение генов из одной органики в другую. Например, макромолекула может быть введена из бактерии в растение.

А какие проблемы решает генная инженерия? Здесь можно выделить несколько основных направлений, которые указаны в таблице.

Как видно, цель генной инженерии — это не только поиск инноваций, но и решение проблем в разных областях здесь и сейчас. Но чтобы лучше понять, как genetic engineering может повлиять на вопросы человеческого долголетия, нужно разобраться, что такое редактор генома CRISPR/Cas9 и почему за ним стоит будущее.

«Геномные ножницы» — технология, которая фактически меняет мир

История CRISPR начинается в 2005 году, в момент, когда Рудольф Баррангу и Филипп Хорват изучали очень странные фрагменты повторяющегося генетического кода. Последовательности, которые попали под прицел исследования, принадлежали одному из микробов (Streptococcus thermophilus), который, как и другие организмы этого вида, часто конфликтует с вирусами и пытается их уничтожить.

Считалось, что необычные последовательности ДНК помогают бактериям уничтожать вирусы. Баррангу и Хорват решили проверить эту теорию на практике. Оба ученых работали на компанию по производству продуктов питания (Danisco), а способность S. thermophilus к уничтожению вирусов помогла бы производителю сэкономить миллионы евро.

Какая работа была проведена:

• Ученые сравнили странные фрагменты из различных штаммов S. thermophiles, устойчивых к разным вирусам. Каждый фрагмент между повторяющимися последовательностями был идентичен ДНК вируса, к которому этот штамм бактерии мог сопротивляться.
• Затем исследователи взяли фрагменты ДНК определенного вируса и вставили в неустойчивые штаммы микроба. В результате штамм получил устойчивость. Причина скрывалась в следующем: микроорганизмы, которые пережили вирусную атаку, сохранили ДНК-фрагменты атакующего вируса в собственных геномах. Что это значит для организма: если вредоносный фрагмент будет снова обнаружен, клетки уже знают, что они подвергаются нападению, а значит, может последовать реакция защиты.

То, что бактерии имеют свою иммунную систему, стало прорывом в науке и открытием для молочной промышленности, которая получила новый способ отбора полезных микроорганизмов на основе желаемой вирусной защиты. Сегодня подобные штаммы — это норма в большинстве производств сыров, йогуртов и другой кисломолочной продукции.

В 2012 году Эммануэль Шарпантье из института Макса Планка в Германии и Дженнифер Дудна из Калифорнийского университета в Беркли решили продвинуть идею, которую раскрыли Баррангу и Хорват. Был проведен эксперимент, во время которого ученые взломали странно сгруппированные, регулярно расположенные и короткие палиндромные повторы, или CRISPR. Это было нужно, чтобы сделать разрезы в точных последовательностях генома организма: дрожжевых грибов, рыб, свиней. Кроме того, манипуляцию можно было проводить и для человеческого генома.

В чем заключалась суть генной инженерии в этом случае? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно углубиться в понятие CRISPR. По факту это иммунная система микроорганизмов. Если такой организм заражается вирусом, активируется CRISPR РНК (рибонуклеиновая кислота, или биомолекула). Задача активированной биомолекулярной структуры — найти известные данные о вирусе. Для этих целей подключаются CRISPR-белки (cas-нуклеазы).

Если совпадение было обнаружено, cas-нуклеаза режет вредоносную ДНК. Этот процесс довольно сложный, однако действенный. И вот почему он сегодня так популярен:

1. CRISPR/Cas — защитная система, которая есть у бактерий и организмов высшего порядка. Это значит, что такие манипуляции с ДНК применимы по отношению к человеку.
2. В ходе исследований была обнаружена еще одна специфическая белковая нуклеаза — Cas9. Особенность в том, что она выполняет несколько функций: связывается с РНК-гидом, распознает чужеродную макромолекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты и уничтожает ее.

Появление технологии редактирования генома («геномных ножниц», или CRISPR/Cas9) позволила ученым точно выявлять определенные последовательности ДНК, вырезать их и вставлять в новый геном.

Что это значит для тех, кто ищет лекарство от старости и занимается вопросами долголетия? «Ножницы» позволяют удалять из ДНК поврежденные гены — ошибки, которые приводят к воспалительным процессам, мутациям, генетическим заболеваниям. Кроме удаления, можно вставлять те фрагменты, которые необходимы для правильного функционирования генов.

Благодаря этой технологии генная инженерия дает возможности, которые ранее были недоступны в лечении наследственных заболеваний и в разработке лекарственных препаратов, направленных именно на «лечение» специфических участков человеческого генома.

Какие возможности открывает CRISPR/Cas9

Важно отметить, что компании, которые применяют эту технологию, тщательно соблюдают этические и правовые стандарты биоэтики.

Что уже доступно сегодня:

1. Редактирование генов. Мутация генома — одна из основных причин появления воспалений, развития многих заболеваний, включая сердечно-сосудистые и онкологические. Если использовать «геномные ножницы», можно в будущем лечить болезни путем корректирования генетических дефектов.
2. Новые способы исследования патологий. Технология позволяет узнавать, какие функции несут определенные гены или их сломанные фрагменты. На основе полученной информации можно проследить, как развивается мутация, воспаление. Благодаря инструментам CRISPR/Cas9 можно смоделировать систему заболевания, получить информацию для последующей разработки и тестирования медикаментов, которые могут помочь в лечении или предотвращении развития мутации.
3. Модификация клеточных структур. «Геномные ножницы» могут применяться в модификации клеток для создания и производства фармацевтических препаратов, построенных на моноклональных антителах (структурах, воспроизводимых одним клоном иммунных клеток, имеющих высокую специфичность к конкретной части антигена).

Так, оправдывает ли генная инженерия свои обещания? Безусловно, и утвердительный ответ можно найти в разных областях — от сельского хозяйства, промышленности до фармакологии и медицины, где затрагиваются вопросы не только поиска новых лекарств для лечения генетических заболеваний, но и продления человеческой жизни.

Редакторы генома позволяют исправлять поврежденные последовательности, «включать» целевые гены и «выключать» те, что приводят к мутациям. При этом технология редактирования гарантирует точность в этих манипуляциях.

Потенциал CRISPR/Cas9 — это новые способы «изменения мира». Однако говорить о совершенстве технологии, несмотря на все ее возможности и плюсы, еще рано.

Существуют риски, которые затрагивают:

• этику: переделка будущих поколений через изменение зародышевых линий, что может привести к непредсказуемому результату;
• нецелевые мутации: случайные изменения в других участках генома;
• сложность доставки системы CRISPR/Cas9 к некоторым видам тканей;
• снижение эффективности: не все клеточные структуры восприимчивы к «геномным ножницам».

Несмотря на минусы, эта технология остается мощным инструментом, а ученые постоянно ищут пути усовершенствования редактора генома, расширение его применения.

Источники

The Economist.// Can gene editing deliver on its promise — 2025. Источник: https://www.economist.com/technology-quarterly/2025/02/21/can-gene-editing-deliver-on-its-promise

Немудрый А. А., Маланханова Т. Б., Малахова А. А., Медведев С. П., Закиян С. М. Стратегии редактирования паралогичных генов с помощью CRiSPR/Cas9. // Гены и клетки — 2015. Источник: https://cyberleninka.ru/article

Ларкина Т. А., Крутикова А. А., Козикова Л. В. Редактирование генома сельскохозяйственных животных с помощью технологии CRISPR/Cas9. // Молочнохозяйственный вестник — 2018. Источник: https://cyberleninka.ru/article

Хесина П. А., Кустова И. Ф., Кривцова О. М., Лазаревич Н. Л. Влияние нокаута гена IQGAP3 на выраженность злокачественного потенциала в культурах клеток гепатомы человека. // Вопросы онкологии — 2023. Источник: https://cyberleninka.ru/article

Шарипов Р. А., Омаров М. А., Мулюков А. Р., Дыбова А. И., Вяселева Э. Т. Возможности применения системы CRISPR-Cas9 для коррекции генетических мутаций. // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология — 2023. Источник: https://cyberleninka.ru/article