Метод "in vitro"
Генная инженерия методами in vivo или in vitro решает задачи введения в геном реципиентной клетки одного или нескольких (обычно чужеродных) генов либо создания в геноме новых типов регуляторных связей. В таких случаях видовая принадлежность реципиентных организмов не меняется, но появляются несвойственные им признаки. Перед геномной инженерией стоят задачи более глубокого вмешательства в геном, вплоть до создания новых видов организмов. Методы решения таких задач различны для вирусов и для про- и эукариотических клеток. Часто генетическую инженерию сводят лишь к операциям с молекулами ДНК методами in vitro. Такое сужение области генетической инженерии вряд ли оправдано, поскольку ее конечным результатом является конструирование рекомбинантных молекул ДНК и метод здесь не имеет значения. Нет, например, никакой принципиальной разницы между трансдуцирующими фагами, полученными методами in vivo и in vitro: в обоих случаях целенаправленно конструируются или отбираются фаги с заданными свойствами. Во многих экспериментах с клетками высших эукариот результат достигается только последовательными операциями in vivo и in vitro.
Методы генетической инженерии успешно применяются для решения фундаментальных проблем. Решающее значение они имеют для исследования молекулярной структуры геномов и генов, а также молекулярных механизмов регулирования их экспрессии. Уже на начальных этапах их применения удалось достигнуть существенного прогресса при изучении эукариотических организмов. Был установлен факт прерывного строения генов, выявлены мобильные диспергированные гены, поняты основные механизмы переключения генов при дифференцировке клеток, определена структура многих регуляторных элементов на уровне ДНК, в отдельных случаях выяснены генетические причины злокачественного перерождения клеток и т.д. Генетическая инженерия способствовала становлению новых научных направлений, составляющих базу молекулярной медицины: молекулярной вирусологии, молекулярной онкологии, молекулярной нейрофизиологии и т. д.
Существенных успехов генетическая инженерия достигла и при решении прикладных задач, дав толчок зарождению молекулярной биотехнологии. Уже в конце 70-х годов в клетках кишечной палочки был осуществлен синтез ряда животных и человеческих белков и гормонов — соматостатина (Itakura et al., 1977), проинсулина (Villa-Komaroff et al., 1978), гормона роста (Martial et al., 1979). Теперь же список генно-инженерных продуктов включает в себя сотни наименований лекарственных и других полезных препаратов.
В первые годы основными объектами генно-инженерных экспериментов были клетки Escherichia coli К-12, а также ее плазми-ды и бактериофаги, так как именно они были наиболее полно изучены генетически. Это позволяло целенаправленно конструировать новые типы векторных молекул и реципиентных клеток, а также прогнозировать свойства рекомбинантных молекул ДНК и проводить их анализ. Но со временем были разработаны системы клонирования для различных промышленно важных микроорганизмов, а также для клеток растений и животных. В настоящее время можно получать растения и животных, содержащих в своем геноме любой избранный ген. Успех работы зависит только от суммы вложенных в нее средств.
Молекулярная биология и генетическая инженерия тесно переплетены друг с другом и в приложениях к медицине. Задача ученых — так изучить организм, чтобы понять болезнь в молекулярных терминах, выявить вещества, создающие проблему и дать рекомендации для лечения недуга. Выполнение этих рекомендаций возлагается на "генных инженеров". Они создают продуценты активных человеческих белков, выделяют или конструируют молекулы, снимающие проблему.
Ярким примером успехов в этой области является фирма "Ге-нетех". Созданная на скромные инвестиции в 1976 г. при участии Г. Бойера — одного из пионеров генетической инженерии, она сейчас занимает лидирующие позиции в создании препаратов медицинского назначения. Уже в 1977 году сконструирован штамм Е. coli, синтезирующий человеческий белок (somatostatin). В 1978 году клонирован ген человеческого инсулина, в 1979 году — ген человеческого гормона роста. Тщательная процедура клинической проверки генно-инженерных продуктов позволила уже в 1982 году получить разрешение на использование для лечения рекомбинантного инсулина. Этот инсулин незаменим для больных диабетом, у которых обычно применяющийся свиной или бычий инсулин вызывает аллергические реакции. В 1984 г. налажено производство антитромбогенного фактора VIII. В дальнейшем были разработаны технологии синтеза других медицинских препаратов и получены разрешения на использование: