Ученые создают рекомбинантную ДНК, сочетая ДНК из разных источников – часто других видов – в лаборатории. Клонирование ДНК позволяет исследователям изучать специфические гены, вставлять их в легко манипулируемые клетки, такие как бактерии. Организмы, содержащие рекомбинантную ДНК, известны как генетически модифицированные организмы (ГМО). Рекомбинантная технология ДНК производит организмы с новыми генами, которые могут принести пользу науке, медицине и сельскому хозяйству.
Создание рекомбинантной ДНК включает вставку интересующего гена в вектор – носитель, несущий чужеродную ДНК в клетки-хозяева для репликации ДНК и экспрессии белка. Наиболее часто используемые векторы клонирования – это плазмиды, небольшие кольцевые фрагменты ДНК, которые реплицируются независимо от хромосомной ДНК хозяина.
Для создания рекомбинантной ДНК как донорскую ДНК, включая интересующий ген, так и вектор разрезают по определенным нуклеотидным последовательностям, называемым сайтами рестрикции, с помощью рестрикционных ферментов. Ферментная ДНК-лигаза закрывает сахарно-фосфатный остов, где соединяются интересующий ген и плазмида.
В результате получается рекомбинантная молекула ДНК, состоящая из вектора с интегрированным фрагментом донорской ДНК, называемым вставкой. Затем ученый может ввести эту гибридную молекулу ДНК в организм-хозяин, обычно бактерии или дрожжи, где она легко и быстро размножается. Это создает множество копий интересующего гена, что необходимо для научных исследований и других приложений. Ген также можно транскрибировать и транслировать в желаемый белок, такой как человеческий инсулин, с помощью клеточного аппарата хозяина.
Создание рекомбинантной ДНК – процесс несовершенный, и часто возникают ошибки. Например, вектор может закрыться без вставки или вставка может быть неправильной (например, в обратном направлении). Прежде чем использовать рекомбинантную ДНК для дальнейших исследований, исследователи должны проверить наличие ошибок. Секвенирование нуклеотидов может помочь идентифицировать колонии бактерий, несущих плазмиды с правильной вставкой.
Ученые используют рекомбинантную ДНК для изучения генов и белков
Рекомбинантная технология ДНК особенно выгодна, когда ученый нуждается во многих копиях гена, представляющих интерес, или белкового продукта. Тем не менее, исследования ученого может потребовать дополнительного уровня сложности, такие как обнаружение или очистка желаемого белка. Для достижения этой цели исследователь может прикрепить тег или репортер –белки, используемые для идентификации генного продукта – к желаемому белку для создания гена синтеза или химерного гена.
Ученые впервые использовали рекомбинантную технологию ДНК для производства инсулина человека в бактериях, что привело к лечению диабета. С тех пор, что первоначальное открытие, исследователи создали другие рекомбинантные ДНК для терапевтического использования. Рекомбинантные бактерии делают гормон роста человека – белок, необходимый для нормального роста и развития– для лечения пациентов с дефицитом гормона роста. Рекомбинантные клетки млекопитающих, полученные от человека и хомяков, производят фактор VIII – белок, необходимый для нормальной свертываемости крови – для лечения пациентов с гемофилией. Очевидно, рекомбинантная технология ДНК является мощным инструментом для крупномасштабного производства необходимых белков.
Сельскохозяйственные достижения в области рекомбинантных технологий ДНК также влияют на благополучие человека. Например, фермеры, специализировавшиеся на кукурузе, понесли значительный ущерб из-за вредителя – европейского кукурузного борера. В ответ ученые выделили гены из почвенной бактерииBacillus thuringiensis (Bt) для создания генетически модифицированной, устойчивой к вредителям кукурузы. Bacillus thuringiensis естественным образом производит белки, которые токсичны для некоторых насекомых, но не для людей, растений или других животных. Внедрение устойчивых к вредителям bt кукурузы улучшило урожайность и уменьшило использование химических пестицидов. Такое сельскохозяйственное применение повышает качество и количество мирового продовольственного снабжения.
