4.3.5. Другие области применения генной инженерии

1. Новые методы диагностики и исследований

Методы генной инженерии открывают новые возможности и в медицинской диагностике. Например, ДНК или РНК вируса могут быть выделены в очень малых количествах для изучения их состава, последо­вательности нуклеотидов и механизма реакции. Полученные при этом данные позволяют различать многие типы вирусов, и подобный метод приобретет важную роль в эпидемиологии и в медицинской диагности­ке.

Эти и другие, более общие, методы связаны с синтезом нуклеино­вых кислот, используются для изучения функций мозга на молекуляр­ном уровне. Так всегда считалось, что полипептидные гормоны (инсу­лин) образуются только в эндокринных железах, откуда они транспор­тируются с потоком крови в органы. Благодаря таким исследованиям было обнаружено, что они синтезируются в головном мозге. Впервые это было показано исследователем Вилла-Комароффом. Она получила ДНК-копию гена инсулина крысы, ввела их в клетки мозга и обнаружи­ла, что инсулиновая ДНК-проба связывалась с двумя и-РНК в мозге, т. е. показала, что клетки мозга синтезируют инсулин. (Молекулы ДНК будут связывать и-РНК гормонов и чем ближе сходство между гормо­ном и синтезирующимся в мозге веществом, тем прочнее ДНК-копии будут связываться с и-РНК.) Следующая задача - уточнить подлинную функцию этих гормонов в мозге.

2. Генная инженерия и белковая инженерия ферментов

Технология рекомбинантных ДНК позволила проводить переме­щение генов, ответственных за синтез полезного фермента, из одного организма в другой, т. е., когда фермент проявляет свойства, важные для промышленного использования, соответствующий ген можно кло­нировать в более подходящем микроорганизме-«хозяине» (см. рис. 4.2) и затем провести промышленную ферментацию. Таким методом стано­вится возможным производить промышленные ферменты очень высо­кого качества и чистоты.

Недавний пример этой технологии - получение моющего фермен­та липолазы, улучшающий удаление жирных пятен на тканях. Фермент был вначале обнаружен при росте плесени Humicola languinosa в коли­честве, не соответствующем для промышленного производства. Далее, фрагмент ДНК (ген), кодирующий фермент, был клонирован в продук­ты роста плесени Aspergillus oryzae и начал производиться на промыш­ленном уровне. Фермент оказался эффективным при различных мою­щих условиях, а также очень устойчивым при разных температурах и pH.

Белковая инженерия или «молекулярная хирургия» использова­лась для изменения свойств молекул ферментов. Белковая инженерия ферментов включает создание трехмерной графической модели очи­щенного фермента, полученного методом рентгено-структурного анали­за. Можно считать, что изменения в структуре фермента, приводящие к большей стабильности при изменении, например, pH и температуры, сделаны с помощью замен участков гена, кодирующего фермент, на мо­лекулярном уровне.

Имеются два главных подхода для изменения функции фермен­тов. Первый - мутагенез клонированного продукта: аминокислотные остатки в определенном положении в структуре фермента можно заме­нить другими подходящими закодированными аминокислотными остатками. Измененный ген далее трансформируется в подходящий ор­ганизм «хозяина», и производится мутантный фермент. Этот процесс известен как «мутагенез направленного участка». Второй используемый метод включает выделение природного фермента и модификацию его структуры химическими или ферментными методами, иногда этот ме­тод называется химической мутацией. Недавний успешный пример бел­ковой инженерии - модификация фермента фосфолипазы, который был изменен для того, чтобы он мог работать при более высоких концентра­циях кислоты. Этот фермент широко используется как эмульгатор в пищевой промышленности.

Рост микроорганизма, имеющего полезный фермент

Очистка мРНК

мРНК >ДНК

Очистка фермента

Определение частичной аминокислотной последовательности

Клонирование ДНК в бактерии E.coli

Синтез

олигонуклеотида

Идентификация клонированных кДНК

Трансформация промышленного клона в клетках "хозяина"

Aspergillus oryzae ▼

Промышленное производство фермента

Рис. 4.2. Метод клонирования ферментов

Из вышесказанного следует, что генная и белковая инженерии бу­дут иметь огромное влияние на производство ферментов в многих фор­мах. Генная инженерия будет обеспечивать лучшие экономические по­казатели продуктивности ферментов, производство ферментов редких микроорганизмов и т. д.