Генийн инженерчлэл

Генийн инженерчлэл буюу генийн хувиргалт нь, биотехнологийн тусламжтайгаар амьд биетийн генд өөрчлөлт оруулах процесс юм. Генийн инженерчлэл бол генетикийн болон биохимийн аргуудыг ашиглан генүүдийн байгаль дээр байдаггүй шинэ нэгдлүүдийг тодорхой зорилгоор гарган авахтай холбоотой молекулын биологийн шинжлэх ухааны нэг чиглэл болж хөгжсөн. 1972 онд эрдэмтэн П.Берг ДНХ-ийн эрлийз молекулыг хуруу шилэнд (in vitro) буй болгосон үеэс эхлэн генийн инженерчлэлийн үндэс суурь тавигдсан. Генийн инженерчлэл нь нэг биеийн тодорхой уураг, үйл ажиллагааг хариуцсан генийг нөгөө биед шилжүүлэн суулгаж удамшлын мэдээллийг өөрчлөх замаар хүний хэрэгцээ шаардлагад нийцсэн биологийн идэвхт болон бусад бодис нийлэгжүүлэгч эс, эд, биед бий болгоход чиглэгдсэн хавсарга судалгаа юм. Генийн буюу генетик инженерчлэл (genetic engineering) нь нэг биес нөгөөд генийг шилжүүлэн суулгахад шаардагддаг иж бүрдэл арга технологи юм. Генийн инженерчлэлээр гарган авсан амьтан, ургамлыг нийтэд нь “генийн өөрчлөлттэй организм” (genetically modified organism) гэж нэрлэдэг. Илүү нарийвчилбал, шинээр ген нэмж суулгасан амьтныг трансгенийн буюу ген шилжүүлэн суулгасан (transgenic) амьтан, хэрэв угаас байсан өөрийн генийг нь авч хаясан, сольж өөрчилсөн бол нокаут (knockout) буюу "генээ нам цохиулсан амьтан" гэж нэрлэх жишээтэй.

Ген инженерчлэлийн хэрэгсэл

Гол хэрэгсэл нь ферментүүд юм. Тэдгээрийн оролцоотойгоор генүүдийг ялгах, зөөвөрлөх, угсрах боломжтой. Рестриктаза фермент: ДНХ-н хос холбоог (утаслаг) тодорхой байрлалаар хэрчдэг фермент ба анх 1968 онд бактерийн эсээс илрүүлсэн. Рестриктаза ферментээр генийг тасалж авах нь ген ялгах нэг арга юм.

Лигаз фермент: ДНХ-н хоёр болон хэд хэдэн тасархай хэсгүүдийг хооронд нь холбож оёдог фермент.

Вектор молекул: Трансдукцийн үзэгдлийг ашиглан гадны генетик мэдээллийг нэг эсээс нөгөөд дамжуулах зорилгоор зохион бүтээсэн молекулыг вектор гэдэг. (Цагираг хэлбэртэй ДНХ-н молекул юм.) Тухайн векторын зохицуулах элементүүд нь эзэн эсийн удамшлын мэдээлэл илрүүлэх системтэй тохирч байх ёстой. Бөгөөд вектор молекул дараах шаардлагыг хангасан байх учиртай:

Эзэн эсийн дотор бие даан чөлөөтэй хоёрчлогдох.
Эзэн эсэд тогтвортой оршин тогтнох.
Бусдаас таньж, ялгагдах ятар нэгэн маркёр буюу тэмдэгт ген агуулсан байх
Рестриктаз ферментүүдэд таслагдах дэс дараалал нь аль болон цөөн байх

Дээрх шаардлагыг плазмид, вирус, фаг, митохондри болон хлоропластын ДНХ-ийн молекулууд хангадаг. (Гэхдээ тэдгээрийг ашиглах зориулалтдаа тохируулан өөрчлөн бүтээдэг.) Генийн илрэл заавал ямар нэгэн эс дотор явагддаг ба ийм эсийг эзэн эс гэх бөгөөд эдгээр нь өөр өөрийн онцлогтой байхаас гадна хоорондоо ген илрүүлэх тогтолцоогоороо ялгаатай байдаг.

Эзэн эсүүд генийн инженерчлэлийн үйл ажиллагаанд хоёр үүрэг гүйцэтгэнэ:

Шилжүүлэн суулгасан генийг олшруулж, бүтээгдэхүүнийг гарган авахад.
In vitro – нөхцөлд янз бүрийн байдлаар хувиргасан ДНХ – ээс шаардлагатай реокомбинант молекулыг сонгож авахад

Ямар генийг аль эзэн эсэд суулгах вэ? Гэсэн сонголтоос уг ажлын үр дүн хамаарч байдаг

Биотехнологи ба генийн клоны арга

Орчин үеийн биотехнологийн том ололтуудын нэг бол, төрөлжсөн биеийн эсээс ялган авсан бөөмийг өндгөн эсэнд нь шилжүүлэн суулгах замаар амьтан хувилан олшруулах арга зүйг боловсруулсан явдал бөгөөд, энэ аргыг клонинг-ийн арга гэнэ. Энэ нь биеийн эсийн бөөмийг шилжүүлэн суулгах замаар уг “донор”-ын хуулбарыг бий болгож байгаа, бэлгийн бус үржлийн арга юм.

Анх энэ чиглэлийн судалгаа “Биеийн эсийн генетик” гэдэг чиглэлээр 1960-аад оны дунд үеэс эхлэн хөгжсөн түүхт анхны туршилтын объектууд нь мэлхий байлаа. Энэ чиглэлд гарсан анхны том алхам бол 1975 онд АНУ-ын судлаач J.Gurdon-ны, “Xenopus” мэлхийг клоны аргаар хувилсан ажил байлаа. Шотланд улсын Розлины институтийн судлаачид 1997 онд Долли нэрт хиймэл хонийг гарган авсан ба ингэхдээ насанд хүрсэн хонины арьсны эсийн бөөм, ДНХ-г ашигласан гэдэг. Долли-г хувилган гаргахад нийт 277 удаагийн туршилт оролдлого хийсний 29 нь хөврөл болон хөгжиж, түүнээс 13 хөврөл нь тээгч амьтны умайд бэхлэгдэж чадсан байдаг ба тэдгээрээс ганцхан хурга эсэн мэнд төрсөн түүхтэй. Төрөл бүрийн өвөрмөц шинж чанартай ургамал, амьтдыг хувилах нь дэлхий дахинд чухал ач холбогдол өгч байна. Жишээ нь, ховордож мөхлийн ирмэгт ойртсон амьтдаа аварч үлдэх, тоо толгойг нь нэмэгдүүлэхэд генийн инженерчлэл чухал үүрэг гүйцэтгэж чадах юм.

Америк, Өмнөд Солонгос, Италид клонингийн аргаар хувилсан анхны хүүхдүүд төрсөн. Энэ нь эцэг, эхийн дундаас төрсөн хүүхэд биш. Төрүүлсэн эх нь зөвхөн тээгч, тэжээгч. Олон оронд хүн дээр клонингийн туршилт явуулах нь хориотой байдаг нь хэд хэдэн шалтгаантай аж. Хэрэв зөвшөөрвөл, хүн амын хүйсийн харьцаа алдагдах аюултай гэж үздэг. Өөрөөр хэлбэл улс үндэстний, хүний эрх чөлөө зөрчигдөж, тэгш эрхт ёс алдагдан, ядуу баяны ялгаа ихэс ч болно гэж эрдэмтэд үзэж байна.

Австрали, Америкийн эрдэмтэд хүнийг хувилахад гахайны “хоосон өндгөн эс" ашиглах туршилтыг хийж хүний геном бүхий гахай хүний эс гарган авч тэр нь 32 болтлоо хуваагдан үржиж байжээ. Уг аргаар амьд биеийг хувилан гаргахаас гадна бусад хэрэгтэй гормон, уураг зэргийг гарган авч болно.

Генийн хувьд хувиргасан организм

Генийн инженерчлэлийн тусламжтайгаар хувиргасан ургамал, амьтан, бичил биетүүдийг, генийн өөрчлөлттэй организмууд буюу ГӨО гэж нэрлэдэг. Хамгийн анх нян генийн хувиргалтад өртсөн. Шинэ генийг агуулсан ДНХ плазмидууудыг нянгийн эс уруу оруулахад, нян шинэ генийг хүлээн авна. Эдгээр генүүд нь эм эсвэл ферментүүдийг бий болгох боломжтой. Ургамлуудыг хортон шавьжаас хамгаалах, гербицидүүдэд тогтвортой болгох, вируст тогтвортой болгох, орчиндоо дасах чадварыг дээшлүүлэх, хүнсний чанарыг нэмэгдүүлэх, хүнсэнд хэрэглэж болох вакцинуудыг бий болгох зорилгуудаар генийн хувиргалтад оруулдаг. Худалдааны зориулалттай ГӨО нь хортон шавьжид тэсвэртэй ба/эсвэл гербецидэд тэсвэртэй таримал ургамлууд байдаг. ХАА-н ба эм зүйн салбарын бүтээгдэхүүнүүдийг сайжруулах зорилготой судалгааны ажилд, генийн өөрчлөлттэй амьтдыг ашигласан байдаг. Нокаут генуудыг амьтанд суулгаж, өвчин тэсвэрлэх чадварыг дээшлүүлэх, өсөлтийн гормоныг идэвхжүүлэх ба сүүний уургийн агууламжийг нэмэгдүүлдэг.

Генийн инженерчлэлийн аргууд

Гол өгүүллэг: (Генийн инженерчлэлийн аргууд)

Эхний алхам нь ГӨО руу хийх тусгаарлагдсан генийг сонгож авах юм. 2012 оноос эхлэн ихэнх их хэмжээгээр үйлдвэрлэгдэж байгаа ГӨ ургамал нь шавж болон гербицидын эсрэг хамгаалах ген суулгуулагдсан байдаг. Генийг хязгаарлах дайварын тусламжтайгаар DNA таслаж дараа нь гел электрофоресисыг ашиглан уртаас нь хамааруулж гаргаж авна. Polymerase гинжин урвал нь генийн хэсгийг хувилгахад бас ашиглаж болно, тэр нь дараа нь гел электрофоресисын аргаар тусгаарлагддаг. Хэрэв сонгогдсон ген эсвэл донор организмын геном сайн судлагдсан бол генийн номын санд байж магадгүй. Хэрэв DNA –ийн хувилбар олдохгүй бол DNA –ийн дараалал мэдэгдэж байвал DNА-г хиймэлээр хийж болно. ГӨО-д генийг хийхийн тулд генийг өөр генетик элементүүдтэй нийлүүлснээр амжилтай ГӨО-д оруулж болно. Энэ үе шатад генийн үр ашиг болон илэрхийлэлийг шинэчилж болно. Генийг констрактор луу хийхээс гадна констактор нь үүсгэн байгуулагч, устгагч болон сонгодог маркертай байдаг. Үүсган байгуулагч хэсэг нь генийн транскрипц эхлүүлж генийн байрлал болон түвшнийг тодорхойлдог, харин устгагч хэсэг нь транскрипцийг төгсгөдөг. Сонгодог маркер нь орсон организмдаа ихэнхдээ антибиотикийн эсэргүүцлийг олгодог. Энэ нь аль эс шинэ гентэй болохыг тородхойлдог. Констрактууд нь рекомбинат DNA–ийн аргуудыг ашиглан бүтээгддэг, жишээлбэл шингээлтийг хорих, ligations ба молекулын клонинг. DNA-г удирдах нь ихэвчлэн плазмид дотор явагддаг. Генийн инженерчлэлийн хамгийн элбэг тохиолддог хэлбэр нь эзний геномд үл мэдэгдэхээр шинэ генийг оруулах юм. Өөр аргууд нь шинэ генийн материалыг эзэний геном дотор тодорхой байршилд оруулахыг олгодог. Генийн онилох арга нь гомологийн рекомбинацыг ашиглаж тодорхой эндогенийн генд хүсэж байгаа өөрчлөлтүүд рүүгээ онилдог. Энэ нь ургамал болон амьтанд бага давтамжтэй үүсдэг ба ихэвчлэн сонгодог маркер хэгэр болдог. Онилж байгаа генийн давтамжийг нуклэазег инженерчилснээр маш ихээр ихэсгэж болдог. Жишээлбэл цинкийн хуруун нуклэазе, инженерчлэгдсэн буцаагч эндонуклеаз эсвэл TAL нөлөөлөгчөөр бүтээгдсэн эндонуклеаз. Ген онилохыг ихэсгэхээс гадна эндогенийн ген дотор генийн нокоут ялгаруулдаг мутацыг хийхийн тулд бас ашиглаж болно.

Хэрэглээ

Генийн инженерчлэл нь анагаах ухаан, шинжлэх ухаан, үйлдвэрлэл, ХАА-д хэрэглэгдэж байна. Генийн инженерчлэлийг олон төрөл, зүйлийн ургамал, амьтан, бичил биетэнг хувиргахад өргөн хүрээнд ашиглаж болно.

Анагаах ухааны салбарт

Анагаах ухаанд генетик инженерчлэл нь инсулин, хүний өсөлтийн даавар, үргүйдлийг эмчлэх даавар, альбумин, моноклон эсрэг биет, вакцин болон өөр олон эмийг их хэмжээгээр үйлдвэрлэхэд ашиглагдаж ирсэн. Сул дорой, үхсэн, идэвхгүй вирус, эсвэл тэдний хорыг хүний бие уруу хийж дархлаажуулж байгааг вакцинжуулалт гэж ойлгоно. Генетикээр өөрчилсөн вирус дархлаа тогтоох чадвараа алдаагүй харин өвчин тараах боломжгүй болсон байдаг. Хулганын гибридомаг генийн инженерчлэлээр өөрчлөн хүний моноклон эсрэг биетийг гаргаж авсан. Хулганы гибридома нь моноклоны эсрэг биетийг үүсгэхийн тулд нэгдсэн хэд хэдэн эсүүдийн нэгдэл. Генийн инженерчлэлийн тусламжтайгаар хэд хэдэн төрлийн хорт хавдрыг эмчилсэн нь, түүнийг анагаах ухаанд үр дүнтэй ашиглаж болохыг харуулсан. Генийн инженерчлэл нь, хүний өвчний амьтны загваруудыг гарган авахад ашиглагддаг. Генийн хувьд хувиргасан хулгана нь генийн инженерчлэлийн амьтны загварын маш өргөн тархсан хэлбэр юм. Тэднийг, хорт хавдрын (онко-хулгана), таргалалтын, зүрхний өвчний, чихрийн шижингийн, артритийн, токсикоманийн, сэтгэл мэдрэлийн цочролын, хөгшрөлтийн, паркинсоны өвчний загваруудыг судлахад ашигласан. Эмийн үүрэг гүйцэтгэж чадах магадлалтай бодисуудыг эдгээр хулганууд дээр шалгаж, туршиж мөн болно. Гахайнаас хүнд эрхтэн шилжүүлэн суулгах ажлын үр дүнг нэмэгдүүлэхэд зориулж, генийн хувьд хувиргасан гахайг гарган авсан.

Генийн мэс засал гэдэг нь, хүний гэмтэлтэй генүүдийг тухайн генийн ажилтай хуулбараар солих генийн инженерчлэл юм. Генийн мэс засал нь соматик эс эсвэл үр хөврөлийн эсийг хамарч болно. Хэрвээ генийг үр хөврөлийн эсэд суулгавал, тэр нь тухайн хүний удамд дамжих боломжтой болдог. Генийн мэс засал нь олон өвчнийг эмчлэхэд үр дүнтэй ашиглагдсан. Жишээ нь, Х-хромосмын хүнд нийлмэл дархлаа хомсдол (X-linked SCID), архаг лимфолейкоз, паркинсоны өвчин г.м.. 2012 онд Европын комисс хүлээн зөвшөөрснөөр, Глибера нь Европ болон АНУ-н анагаах ухааны салбарт ашиглагдах болсон анхны генийн мэс засал болсон.

Генийн инженерчлэлийг хүнийг эмчлэхэд бус харин хүний чадваруудыг (гадаад төрх, дасан зохицох чадвар, зан чанар, үйл хөдлөл) сайжруулах зорилгоор ашиглах эсэх талаар маргаантай асуудлууд тулгарч байна. Учир нь эмчлэх, сайжруулах хоёрын ялгааг олж тогтооход маш хүнд юм. Трансгуманистууд, хүнийг сайжруулах нь зохимжгүй гэж үздэг.

Үйлдвэрлэлд

Генийн инженерчлэлийг ашигласнаар хүн, нян болон дрожж (уутат мөгөөнцөр) зэрэг бичил биетнүүдийг өөрчилж, эсвэл шавьж болон сүүн тэжээлтэн мэт олон эст амьтдын эсүүдийг хувиргаж, хэрэгцээт уураг ба ферментүүдийг гарган авч чадсан. Ингэж хувиргагдсан организм (ГӨО) нь хүний хүссэн (хэрэгцээнд нийцэх) уургийг үүсгэдэг гентэй болдог. Өөрчилсөн организмыг, үйлдвэрлэлийн ферментацын аргуудыг ашиглан биореакторт үржүүлж, их хэмжээгээр үйлдвэрлэнэ. Ингэж үйлдвэрлэсэн уургийг цэвэршүүлэн гаргана. Зарим генүүд нян дотор сайн ажилдаггүй, тиймээс дрожж, шавьж эсвэл сүүн тэжээлтний эсүүдийг (эукариот эсүүд) ашигладаг. Дурьдагдсан аргаар инсулин, хүний өсөлтийн дайвар, вакцин гэх мэт эмүүдийг, нэмэлт тэжээл болох триптофан, хүнсний үйлдвэрлэлийн нэмэлт бодисууд (жишээ нь, бяслагны үйлдвэрлэлд ашигладаг химозин), түлш зэргийг гарган авдаг. Генетик инженерчлэлийн өөр хэлбэр нь, нянгуудыг өөрийнх нь хийх ёстой үүргээс нь өөр үүрэг гүйцэтгүүлэх явдал юм. Жишээлбэл: биотүлш үүсгэх, газрын тос ба бусад хортой бодисууд алдагдсан үед цэвэрлэх, ундны ус мышьяктай эсэхийг тогтоох зэрэг үүргүүдийг гүйцэтгүүлнэ.

ХАА-д

Гол өгүүллэг: (Генийн өөрчлөлттэй ургамал)

Самрын ургамлын навчинд агуулагдаж буй Bt-токсин (хор) нь европын эрдэнэ шишийн эрвээхэйний авгалдайнаас хамгаална.

Генийн инженерчлэлийн олны мэдэх ба аюулгүй (хүнс талаас авч үзвэл) хэрэглээ нь, генийн өөрчлөлттэй ургамал эсвэл генийн хувиргалттай амьтад юм. Жишээлбэл, генийн өөрчлөлттэй загас. ГӨО-р генийн өөрчлөлттэй хүнс эсвэл өөр төрлөөр ашиглагдах материалуудыг үйлдвэрлэдэг.

Генийн хувьд хувиргасан ХАА-н ургамлуудыг гарган авах үндсэн дөрвөн зорилго байдаг.

Эхний зорилго нь орчин тойрны аюулаас (хүйтэн) эсвэл өвчин үүсгэгч бичил биетнүүдээс хамгаалах. Энэ зорилгоор мөөгөнцөр болон вирусд тэсвэртэй ургамлуудыг гарган авч байна. Ингэснээр, ургацын хэмжээ шууд бус аргаар ихэсдэг.

ГӨО гарган авах хоёр дахь зорилго нь, бүтээгдэхүүний чанарыг сайжруулах юм. Жишээлбэл, тэжээллэг чанарыг нэмэгдүүлэх эсвэл үйлдвэрлэлд шаардлагатай чанар эсвэл тоон үзүүлэлтийг хангах. Жишээ нь, амфлора төмс нь үйлдвэрлэлд шаардлагатай бүтэцтэй цардуулыг ихээр бий болгодог. Үхрийн сүүний уургийн хэмжээг ихэсгэснээр бяслагийн үйлдвэрлэлийг ажлыг хөнгөвчилсөн. Шошийн буурцаг болон рапс нь генетикээр өөрчлөгдөж илүү эрүүл мэндэд нийцэмжтэй тос ялгаруулдаг болсон.

Гурав дахь нь ердийн нөхцөлд үүсдэггүй бодисуудыг ГӨО-р үүсгэдэг болгох юм. Нэг жишээ нь, фарминг юм. Энэ нь ургамлыг биореактор болгон ашиглаж вакцин, эм үүсгэх процесс юм. Үүсэн бодисыг цэвэршүүлж, эм зүйн үйлдвэрлэлд өгдөг. Үхэр болон ямаа нь сүүгээ эм болон өөр төрлийн уурагтай гаргадаг болон инженерчлэгдсэн ба 2009 онд FDA нь генийн өөрчлөлттэй ямааг ашиглаж уураг гаргаж авахыг зөвшөөрсөн юм.

ГӨО гарган авах сүүлийн зорилго нь, организмын өсөлтийн хурдыг ихэсгэн бүтээгдэхүүнийг хэмжээг шууд нэмэгдүүлэх, эсвэл организмыг илүү их тэсвэртэй болгох юм. Зарим ХАА чухал амьтдын биеийн хэмжээг богино хугацаанд нэмэгдүүлхийн тулд генийг нь өсөлтийн дайвраар өөрчилсөн байдаг.

ХАА-н ургамлуудыг генийн хувиргалтад оруулснаар өсөлтийг хурдасгадаг болон патоген ба паразитуудад тэсвэртэй болдог. Генийн инженерчлэл хөгжсөнөөр маш бага зүйл ашиглаж маш их хэмжээний ургацыг бий болгож чадаж байгаа нь, дэлхийн хүн амын өсөлтийг даган үүсэх хүнсний хэрэгцээг хангахад чухал юм.