Наконец, ученым удалось осуществить в клетках E.coli биосинтез молекулы проинсулина, а не только ее отдельных цепей. Молекула проинсулина после биосинтеза способна соответствующим образом преобразовываться (формируются дисульфидные связи между цепями А и В), превращаясь в молекулу инсулина. Эта технология имеет серьезные преимущества, поскольку различные этапы экстракции и выделения гормона сведены к минимуму. При разработке такой технологии была выделена информационная РНК проинсулина. Затем, используя ее в качестве матрицы, с помощью фермента обратной транскриптазы синтезировали комплиментарную ей молекулу ДНК, которая представляла собой практически точную копию натурального гена инсулина. После пришивания к гену необходимых регуляторных элементов и переноса конструкции в генетический материал Exoli стало возможным производить инсулин на микробиологической фабрике, по сути, в неограниченных количествах. Его испытания показали практически полную идентичность натуральному инсулину человека. Он намного дешевле препаратов животного инсулина, не вызывает осложнений.
Другая, не менее трагическая проблема здоровья человека, связанная с нарушением работы желез внутренней секреции, – выраженное замедление роста детей, приводящее к появлению так называемых лилипутов, карликов. Это заболевание вызвано недостаточной секрецией гормона роста – соматотропина, который вырабатывается гипофизом (железой, расположенной в нижней части мозга). До середины 80-х гг. XX в. эту болезнь пытались лечить путем введения в кровь пациентов препаратов гормона роста, выделенных из гипофиза умерших людей. Нет смысла объяснять, насколько сложно получить необходимое для терапии количество такого гормона. Помимо чисто технических (в гипофизе содержится очень небольшое количество гормона), финансовых (препарат получается немыслимо дорогим), этических и прочих проблем, имеется риск переноса пациентам опаснейших заболеваний, например, хорошо известного синдрома Кройцфельда – Якоби – коровьего бешенства. Для достижения положительного результата лечения соматотропин вводят внутримышечно три раза в неделю в дозах порядка 6—10 мг на килограмм веса пациента с возраста 4–5 лет до половой зрелости и даже далее. Из одного трупа можно получить лишь 4–6 мг препарата. Поэтому даже разработанные на государственном уровне специальные программы по производству соматотропина в таких странах, как США, Великобритания, Франция, не могли полностью удовлетворить спрос на этот препарат. Так, в США в 70—80-е гг. прошлого века ежегодно выделяли гипофиз у 60 000 трупов. Полученного соматотропина хватало для адекватного лечения лишь 1500 детей в год.
Ген, кодирующий образование гормона роста человека, был синтезирован искусственно и встроен в генетический материал E.coli подобно гену инсулина. В настоящее время проблема производства высококачественного, безопасного для здоровья пациентов соматотропина в необходимых количествах и при минимальных затратах полностью решена. Более того, с помощью технологии рекомбинантных ДНК получены штаммы микроорганизмов, способные синтезировать и другие факторы роста человеческого организма. Для целей сельского хозяйства большое значение имела организация производства гормона роста крупного рогатого скота (впервые – американской фирмой «Монсанто»). Его применение позволяет значительно (до 15 % и более) повысить удойность коров. Сам ген, кодирующий образование соматотропина, пытаются использовать в генетической инженерии животных для выведения пород, способных ускоренно расти. Так, получены обнадеживающие результаты на рыбах. Лососи с встроенным геном гормона роста способны достигать потребительских размеров за один год вместо двух в отличие от обычных рыб.
Для производства трансгенных медицинских препаратов в настоящее время используют не только специальным образом модифицированные микроорганизмы, но и культуры животных клеток. Так, биосинтез рекомбинантного фактора VIII человеческой крови позволяет эффективно решать проблему лечения больных гемофилией (пониженная свертываемость крови). До этого фактор VIII выделяли из крови доноров, что связано с риском заражения пациентов вирусными инфекциями типа гепатита. Производство трансгенного эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование красных кровяных клеток человека) помогает бороться с различными анемиями. Ранее наиболее эффективным методом лечения анемии считалось частое переливание донорской крови, обходившееся очень дорого и также связанное с рисками.
6.3. Достижения генетической инженерии животных
Несмотря на то, что первые трансгенные животные были получены более 20 лет назад, до сих пор на рынке нет ни одного генетически модифицированного животного для использования в хозяйственной деятельности. Это связано с определенными техническими (сложности получения и размножения), финансовыми, а иногда и этическими проблемами. Тем не менее, успехи в генетической инженерии животных очевидны. Разработаны различные методы переноса генов в генетический материал животных и получены трансгенные особи у млекопитающих, низших позвоночных и у беспозвоночных животных. Созданы эффективные технологии клонирования, основанные на замене ядер у оплодотворенных яйцеклеток. Ученые научились не только переносить в генетический материал животных отдельные гены, но и «выключать» или заменять некоторые конкретные гены.
Безусловно, основным направлением исследований в области генетической инженерии животных является выведение пород с повышенной продуктивностью, устойчивостью к болезням, из которых можно получать продукцию с новыми, привлекательными для потребителя качественными характеристиками. В этом направлении уже получены трансгенные формы разных видов рыб, в геном которых добавлен ген, кодирующий биосинтез гормона роста. Благодаря этому рыбы быстрее растут, эффективнее используют корма. Трансгенные свиньи с добавленным геном гормона роста более мускулистые и менее жирные, т. е. из туши трансгенного кабана можно получить больше мяса, чем из обычного, и меньше сала.
Свиньи с добавленным геном фитазы (один из ферментов переваривания пищи) лучше усваивают корма за счет лучшей усвояемости фосфора, что выражается в усилении их роста. К тому же это снижает загрязнение окружающей среды фосфатами. Трансгенные свиноматки с добавленным им геном а-лактальбумина более эффективно вскармливают своих поросят.
Ряд проектов имеет целью улучшение потребительских свойств продуктов, вырабатываемых животными или из животных. Речь, в частности, идет об улучшении качества шерсти овец, о выведении с помощью генетической инженерии пород крупного рогатого скота, в молоке которого снижена концентрация β-лактоглобулина, основного его аллергена, или изменено соотношение отдельных его белков (казеинов и сывороточных протеинов). Другой подход состоит в модификации отдельных генов для изменения физико-химических свойств соответствующих протеинов молока с целью повышения содержания в нем кальция, изменения соотношения отдельных аминокислот, получения молока, сыр из которого созревает в более короткие сроки. Все это должно существенно улучшить потребительские и технологические свойства коровьего молока. Определенную пользу будут иметь и сами животные, поскольку улучшенное молоко – немаловажный фактор здоровья вскармливаемых им телят. Многие из этих подходов уже реализованы на модельных объектах (лабораторных мышах).
Улучшение здоровья домашних животных, повышение их устойчивости к болезням с помощью методов генетической инженерии имеет большое практическое и социальное значение. Это не только позволит повысить продуктивность животных, уменьшить затраты на их лечение (на что уходит до 10–20 % от общей суммы затрат), но и снизит уровень употребления антибиотиков для их лечения, вероятность переноса инфекций от животных к человеку. Для решения названной проблемы используется три основных генно-инженерных подхода:
• добавка генов, повышающих устойчивость к болезням;
• «удаление» генов восприимчивости к болезням;
• замена отдельных генов животного на аналогичные гены, но в большей мере способствующие активному противостоянию болезни. В целом исследования по этим направлениям с переменным успехом пока проводятся на лабораторных животных. До обнадеживающих результатов на сельскохозяйственных животных дело не дошло.
В то же время конкретного практического выхода следует ожидать уже в ближайшее время в таком важном направлении генетической инженерии, как использование животных в качестве «биореакторов» для производства фармацевтических препаратов. Перспективы этого направления генетической инженерии применительно к растениям обсуждались выше. Несмотря на то, что и растения, и животные в отличие от микроорганизмов относятся к царству эукариот, биология растительной и животной клеток все-таки существенно различается. Поэтому для производства некоторых животных рекомбинантных протеинов более целесообразно использовать животные организмы, нежели растительные. В настоящее время убедительно доказано, что с помощью молочных желез трансгенные животные способны производить всевозможные протеины, такие, как разные факторы крови, ферменты, моноклональные антитела, коллаген, фибриноген, шелк пауков и т. д. Разрабатываются и другие системы производства рекомбинантных белков, в частности, большие перспективы связывают с системой яичного белка кур.
