Генная инженерия от A до Z, как это работает

Итак, начнем. Допустим, мы хотим создать трансгенную новогоднюю елку, светящуюся синим светом. Допустим, британские ученые как раз недавно открыли ген синего свечения. Вот и посмотрим на этот процесс по стадиям.

Ген свечения.
Будем вести эксперимент, как настоящие ученые. Они слышат, что открыт новый ген, что же им делать дальше, если хочется создать елку?

Настоящий ученый обычно лезет в ncbi.nih.gov и по нескольким ключевым словам ищет научные публикации на эту тему. Например "синее свечение ген светится". Типична ситуация, когда по одной из ссылок он действительно находит статью "британских ученых", которая оказывается статьей группы китайских авторов, ни один из которых не отзывается на e-mail.

С другой стороны, в статье можно выяснить название этого гена. Пусть он будет называться ButiBl1 (названия генов принято давать буквенными обозначениями + индекс, а впереди может идти несколько первых букв названия организма из которого он выделен, их можно отбрасывать). ButiBl1, например, может быть расшифровано как Butiavka marina blue light 1 gene. Но правила здесь не строгие.

По названию гена в базе данных нуклеотидов ищут последовательность гена. Вот что примерно видит ученый на экране.

Кстати, мы можем воспользоваться инструментом BLAST и введя последовательность ДНК, получить, к каким генам она может относиться. Это тоже очень важный рутинный инструмент для генных инженеров.

Итак, мы получили последовательность гена. Очень хорошо, что дальше? Нужно ведь получить сам ген. Для этого вернемся к вопросу о том, что такое ДНК.

Про ДНК.
ДНК - это длинная молекула (очень длинная), является полимером из четырех вариантов маленьких молекул - азотистых оснований, попросту "букв".

Геном клетки разбит на части - от одной до нескольких десятков молекул ДНК, причем обычно у каждой из них есть еще и своя копия -близнец, несущая те же гены. Каждая из молекул ДНК особым образом свернута, чтобы поместиться в клетке и покрыта белковыми комплексами, образуя хромосому.

Я надеюсь, все это помнят, но если нужно освежить память, пожалуйста, в Вики :)

Итак, запомните главное:

1. ДНК - это молекула.
2. Так как это молекула, то ее не видно в микроскоп, не подцепить пинцетом и т.д. и т.п.
3. В клетке считаное количество молекул ДНК, причем если их много, то они разнородные и «собрать их пучком» чтобы подцепить пинцетом (пункт 2) тоже не получится.

Как же генные инженеры работают с молекулой ДНК если она одна и с ней невозможно провести никаких прямых манипуляций? Дело в том, что во всех процедурах происходит работа не с одной, а с множеством молекул ДНК, с тысячами и миллионами ее копий.

Тысячи таких одинаковых молекул плавают в водном растворе и этот раствор называется "препаратом ДНК". Все манипуляции с молекулами проводятся типичными химическими методами.

То есть ученые работают не с одной молекулой, а с огромным их количеством в растворе с применением химических методов.

Как же нам получить ген bl1? Есть два способа. Первый - прямой химический синтез. Однако им не получить достаточно длинные молекулы из-за ошибок синтеза. Поясню, почему.

ДНК - это полимер. Его можно синтезировать наращивая по кирпичику, причем есть четыре кирпича разных цветов. На каждой стадии наращивания эффективность составляет порядка 99%. То есть из ста молекул одна получается неправильной. Теперь представьте, что нам нужно сделать молекулу длиной в 1000 букв? Тогда применяя банальную арифметику окажется, что доля верных молекул составит 0,99^1000=0,00004

Учитывая, что разделить верные и неверные молекулы почти невозможно, наша затея тут потерпит фиаско, и в реальных задачах синтез более 100-150 букв уже представляется малореалистичным.

Остается второй способ.

Потрошим бутявку
Мы выбиваем из шефа командировку на побережье Мальдивских островов, где только и водится пресловутая бутявка морская (Butiavka marina).

Ловим ее, толчем в порошок, заливаем последовательно разными химическими гадостями чтобы из всей массы тканей в растворе остались только молекулы ДНК. Конечный итог этого - препарат ДНК бутявки. Так как выделение производится из относительно большого образца, то там не одна молекула ДНК, а много - от каждой клетки по паре штук. Эта ДНК содержит не только ген bl1, но и все остальные бутявочные гены.

Этот этап называется выделением ДНК. Ее можно выделить не только в виде раствора, а переосадить и получить сухой препарат, то есть чистые молекулы ДНК.

Амплификация
Итак, командировка окончена, поэтому мы метнемся обратно в лабораторию где нас поджидает чудная процедура амплификации.

Смотрите, в препарате ДНК бутявки куча всяких разных генов, а не только нужный нам. Мы же можем работать только с однородными препаратами, нам нужно довести содержание молекул ДНК гена bl1 хотя бы процентов до 90.

И тут мы применяем поистине чудесный прием, являющийся краеугольным камнем современной биоинженерии, называемым полимеразной цепной реакцией или ПЦР (polymerase chain reaction, PCR). За открытие этого метода присудили нобелевскую премию, хотя до сих пор ходят споры о приоритете, поэтому фамилий не называю, кому интересно - почитайте .

Принцип полимеразной цепной реакции довольно сложен, объяснение дам очень грубое и только для того? чтобы было хоть какое-то представление. За подробным - добро пожаловать по ссылке выше.

Итак, нам нужно размножить (амплифицировать) молекулы ДНК определенного гена. Для этого мы открываем страничку с последовательностью нашего гена и находим его концы. Берем 20-30 букв с конца и столько же с начала и синтезируем короткие молекулы ДНК химическим синтезом (обычно это делают специальные фирмы)

То есть мы имеем две новые пробирки. В одной из них плавает много коротких 30-буквенных последовательности ДНК, гомологичных началу гена, а во второй - то же самое, но для конца гена. Эти новые молекулы называются праймерами.

Теперь мы запускаем реакцию ПЦР, причем умножаться у нас будет участок между двумя праймерами (между начальным и концевым). Реакция ПЦР - это биохимическая циклическая реакция, требующая смены температуры. В свое время ее делали на водяных банях, теперь же используют специальные приборы - амплификаторы (они же ПЦР-машины). Их строение очень простое, там стоят элементы Пельтье, есть место для пробирок и ко всему этому присобачены электронные мозги и управляющая панель.

То есть вернулись мы в лабораторию с ДНК бутявки. Заказали два праймера - к началу и к концу гена. Потом взяли чистую пробирку, капнули туда чуть-чуть ДНК, чуть-чуть каждого праймера, полимеразу (фермент, который строит ДНК), нуклеотидов для строительства ДНК, и немного солей для правильной работы фермента, поставили в амплификатор на пару часов. В амплификаторе смесь то нагревалась, то остужалась и на выходе мы получили пробирку, в которой плавает очень много копий ДНК нужного нам гена.

Однако пробирка прозрачная, как увидеть что там есть какая-то ДНК, да еще нужная?

Существует много способов увидеть ДНК, я же опишу классический, называемый гель-электрофорезом.

В лаборатории имеется небольшая ванночка с электродами, называемая форезной камерой.

В эту ванночку заливается расплав электрофорезного геля, который по сути очень похож на мармелад. Но вместо сахара там находятся добавки солей и флуоресцентный краситель - бромистый этидий. Это вещество интересно тем, что встраивается в молекулу ДНК и в этом случае начинает светиться в ультрафиолете.

После того как гель застынет мы наносим в лунку на нем препарат ДНК где предположительно уже должно быть много копий гена bl1 и включаем электрический ток. В другую лунку наносим "маркер веса" - специальный препарат молекул ДНК, состоящий в равных долях из молекул длины 100, 200, 300 и т.д. нуклеотидов.

Молекулы ДНК полярны и движутся в электрическом поле, при этом, чем они длиннее, тем сильнее цепляются за структуру геля и тем медленнее в нем движутся. Через некоторое время мы выключаем электричество и несем гель под ультрафиолетовую лампу.

На той дорожке где мы нанесли маркер веса мы видим кучу полосок. Самая дальняя от места нанесения пробы соответствует самой короткой ДНК, самая ближняя - самой длинной.

В соседних лунках ДНК бежит с одинаковой скоростью, поэтому мы сравниваем их расположение на соседних дорожках и можем определить, относительный размер.

Итак, мы обнаружили на дорожке где нанесли пробу одну светящуюся полоску и размер ее судя по соседнему маркеру веса является таким, каким мы ожидали.

Мы аккуратненько вырезаем лезвием из геля этот светящийся кусочек - он содержит много ДНК гена bl1 запутавшейся в геле и с помощью специальных манипуляций высвобождаем из него молекулы.

Можно себя поздравить, мы выделили ген bl1 из бутявки! Чего же мы ждем, спросят читатели, давайте засунем этот ген в елку и она начнет светиться?

Не все так просто, и вот, почему.

Любой ген работает только когда с него считывается информация. В нашем случае это мРНК белка bl1. Более того, сама мРНК должна работать, но это отдельная история.

Второе - ген должен передаваться при делении клетки ее потомкам. Иначе все пойдет насмарку.

Третье - ведь ген это не булавка, его еще засунуть как-то нужно!

Если мы просто поместим в клетку ген, то ни информация с него не будет прочитана, ни передаваться он не будет (да, собственно, и с засовыванием его большие проблемы). Поэтому, мы должны навесить на него какую-нибудь служебную информацию, которая бы позволила ему работать и облечь в форму, которая позволит передаваться потомкам. А так же каким-то образом занести его в клетку.

Однако еще раньше мы постараемся сохранить имеющийся ген, чтобы в любой момент можно было его получить много и не ездить за бутявкой.

Первая трансформация.
Самая первая задача, которая стоит на каждом этапе - сохранить результаты предыдущих этапов. Актуальная задачи и в программировании, не правда ли? :)

Сейчас мы поместим наш ген в бактерию, так, чтобы в любой момент мы могли ее размножить и достать оттуда необходимое количество. Это будет наш первый трансгенный организм и процесс его создания называется трансформацией.

Почему мы просто не можем размножить ген с помощью ПЦР, как мы делали до этого? Дело в том, что вероятность ошибки в реакции ПЦР 1/10^3, а в бактерии 1/10^6, то есть копирование его происходит в тысячу раз точнее, а точность нам нужна абсолютная и чем больше, тем лучше.

Итак, помещаем ген в бактерию, как же это сделать? Для этого для начала подготовим контейнер - специальную кольцевую молекулу ДНК, называемую плазмидой. Эта плазмида может плавать в клетке бактерии независимо от ее генома, размножаться и передаваться потомкам, так как у нее есть необходимые для этого гены и сигнальные последовательности.

Также в плазмиде есть гены маркёры. Это такие гены, которые помогут нам отобрать клетки с плазмидой, от клеток где ее нет. Маркёром, например, может быть ген окраски (бактерии с плазмидой будут окрашены) или устойчивости (бактерии с плазмидой не умрут на среде с антибиотиком).

Плазмиды можно купить в биотехнологической компании, их продают всем желающим. Придет она к вам в виде прозрачного раствора в небольшой пробирке (собственно, так же выглядит раствор любой другой ДНК). Для вставки гена в плазмиду ее нужно надрезать ферментом - рестриктазой (речь о ней пойдет далее), но часто они продаются уже надрезанными.

Допустим мы купили современную плазмиду, например pJET1,2 от Fermentas.
Вот она, красавица. В верхнем правом углу много мелких названий - это перечислены сайты рестрикции. Rep - это участок отвечающий за репликацию (размножение) плазмиды в клетке, а Ap - репортерный ген устойчивости к антибиотику - ампициллину.

К плазмиде поставляется набор реактивов, так называемый "кит". Мы капаем по инструкции чуть-чуть раствора нашего гена, плазмиды с реактивами из кита и фермента лигазы и получаем раствор, где молекулы плазмиды соединились с молекулами гена и получилась единая кольцевая молекула, содержащая ген bl1. Такую плазмиду называют "плазмида со вставкой".

Фермент лигаза сшивает пристыкованые друг к другу участки ДНК. Она сшивает все подряд и не может определить, правильно ли все пристыковано (например, может просто сшить плазмиду саму с собой, вовсе без нашего гена), поэтому наша задача делать так, чтобы стыковаться молекулы могли только определенным образом. Чуть дальше я расскажу об этом, когда пойдет речь о липких концах.

Плазмида pJet1,2 продается уже разрезанной посередине гена eco471R. Это ген кодирует клеточный яд - мощную рестриктазу, которая убьет клетку если лигаза сошьет плазмиду без вставленного гена bl1 и такая плазмида попадет в бактерию. Это очень удобно, так как нам не нужно беспокоиться, что вырастут бактерии, в которых вовсе нет вставки, что бывает с другими типами плазмид (этот тип назван плазмидой-самоубийцей или "selfkill plasmid").

Изначально эта информация выходила за рамки статьи, но я подумал, что иначе будут вопросы, зачем этот ген :)

Далее берем специально подготовленную культуру бактерий кишечной палочки (Echerichia coli или E.coli) и по протоколу трансформации капаем в них раствор плазмиды со вставкой. Протоколы могут быть разные, вот пример. Бактерии очень легко поддаются трансформации, по сути ДНК просто в них проникает и все, никаких других ухищрений.

Обычно трансформацию делают вечером, наутро бактерии подрастают и мы уже имеем результаты.

На чашке Петри со средой для роста, имеется множество колоний. Каждая колония - потомки одной единственной трансформированной клетки. Мы выбираем некоторые из них, тестируем на содержание bl1 методом ПЦР (чтобы убедиться в наличии гена) и можем положить на хранение.

Бактерии растут очень быстро и теперь плазмиду с геном можно выделить из них в любой момент в нужном количестве

Итак, мы засейвились :) и параллельно получили культуру трансгенных бактерий. Будут они светиться или нет зависит от того, какую плазмиду для трансформации мы выбрали, есть ли в ней сигнальная последовательность для синтеза мРНК - промотор.

Отмечу, что вот такое сохранение промежуточных результатов всегда проводят в бактериях, независимо от того, с каким далее объектом происходит работа. Просто с ними очень удобно работать и хранить (быстро заморозив в жидком азоте).

Подготовка транскрибирующейся последовательности.
Чтобы последовательность гена работала в клетке, с нее должна прочитываться мРНК (а с нее - белок), то есть она должна транскрибироваться. Для того чтобы это произошло, перед геном обязательно должна стоять управляющая последовательность - промотор.

Промоторы есть у всех генов и они отвечают за то, в каких условиях должен синтезироваться ген, однако определенные промоторы работают только в определенных организмах. Так, бактериальные промоторы не работают у растений и наоборот, растительные - в бактериях. Так как мы хотим, чтобы елка светилась ярко, то поставим ген под суперпромотор, который работает постоянно. Для растений им может являться промотор 35S из вируса мозаики цветной капусты.

К счастью на не нужно искать этот вирус и цветную капусту :) Можно купить уже готовую плазмиду, содержащую промотор и имеющую место для вставки гена. Например, такую как на рисунке.

Следующий шаг - мы выделяем плазмиду со вставкой из культуры бактерий и вырезаем оттуда ген. Вырезание производится с помощью ферментов-рестриктаз (просто к раствору плазмидной ДНК добавляем фермент и буфер для работы фермента). По бокам от встроенного нами гена в плазмиде содержатся участки ДНК (сайты рестрикции), которые ими узнаются и происходит разрезание.

Всегда нужно выбирать те рестриктазы, которые будут резать только в одном месте, не разрезая сам ген (определенная рестриктаза всегда узнает определенный сайт, который состоит обычно из 6 определенных нуклеотидов). Например, рестриктаза EcoR1 всегда разрежет ДНК если обнаружит в ней последовательность G'AATTC, причем резать будет и одну цепь и вторую.

Если рестриктаза режет не точно посередине последовательности узнавания, то по краям остаются так называемые "липкие концы", где часть ДНК одноцепочечна. Такие концы имеют свойство "липнуть"- пристыковываться к другим липким концам с той же последовательностью одноцепочечных участков. Если последовательность будет иной, то стыковки не произойдет. Таким образом если мы вырежем ген двумя рестриктазами - одной для начала гена и другой для конца, то начало и конец его будут иметь разные концы, которые соединятся только с себе подобными. Это очень важно для контролирования ориентации гена, ведь работает он только если повернут определенным образом к служебным последовательностям.

Некоторые рестриктазы могут порезать четко посередине и получим "тупые концы". По тупым концам тоже можно сделать сшивку, но получится 50% вероятность пришить ген не той стороной, которой нужно, а задом наперед.

После вырезания гена очищаем его от остатков плазмиды с помощью электрофореза.

Аналогичным образом разрезаем купленную плазмиду с промотором и смешиваем ее с вырезанным геном.

Добавляем лигазы и вуаля - имеем сшитую последовательность, где у нас имеется промотор 35S и ген bl1.

Снова трансформируем бактерии, уже этой полученной конструкцией. Так как мы ввели промотор, работающий у растений, то светиться такие бактерии не будут. Если бы мы ввели бактериальный промотор, то на этом шаге культура бактерий бы засветилась.

Плазмида с промотором, геном, маркёрами и другими служебными частями называется "плазмидой для экспрессии". Ее уже можно использовать для получения трансгенных растений.

Это у нас второе сохранение. Мы уже знаем как заставить бактерии светиться и получили почти все необходимое, чтобы получить трансгенные растения.

Заметьте, процесс генноинженерной работы многоступенчатый и многозадачный. В реальной жизни одновременно происходит работа с 3-4 экспериментами находящимися на разных стадиях. Пока в одном растут бактерии, для другого мы проводим рестрикцию плазмиды, а для третьего выделяем ген. Происходит это из-за того, что никогда не бывает настолько идеально гладкого хода работ, как я описал, всегда возникают проблемы по разным причинам, их приходится обнаруживать, преодолевать. Даже на выявление ошибки на каждой стадии уходит минимум несколько часов.

И именно для преодоления проблем нужен весь объем знаний молекулярного биолога, а не для последовательного капанья из одной пробирки в другую, чем может заниматься и лаборант :)

О трансформации растений.
В идеале, пока мы делали все манипуляции с генами, наш товарищ сосредоточенно работал над тем, что искал, каким образом можно трансформировать елку. Если мы просто польем ее раствором ДНК гена bl1, пусть даже со всеми служебными областями, ничего не изменится. Нужно как-то поместить эти молекулы внутрь клетки, причем не просто внутрь клетки, а внутрь молекулы ДНК, находящейся в клеточном ядре.

И это очень сложная задача, сильно зависящая от того, что за организм мы трансформируем.

Агент, который доставляет молекулы ДНК внутрь клетки называется вектором. Вектором может быть просто раствор ДНК, какие-то организмы (бактерии), вирусы, специальные частицы.

Способ доставки
Чаще всего растения трансформируют вектором на основе агробактерии (Agrobacterium tumefaciens). Это такая паразитическая бактерия, которая несет в себе гигантскую плазмиду, называющуюся Ti. Эта плазмида переносит в геном растения-хозяина гены, которые позволяют этой бактерии комфортно существовать. То есть бактерия сама по себе умеет встраивать куски своей ДНК в ДНК растения.

Так вот, бактерию можно обмануть и сконструировать для нее такую Ti плазмиду, чтобы там оставалось все необходимое для переноса, но заменить переносимую часть на ту, которая нам нужна, например, на ген bl1 с промотором 35S из вируса табачной мозаики. Этот трюк является основой так называемой агробактериальной трансформации.

К сожалению с елкой не все так просто. Если честно, я вообще не слышал, чтобы ее смогли трансформировать. Для таких трудных объектов часто единственный способ - это прямая баллистическая трансформация или gene gun .

Это дорогой и сложный, но универсальный способ доставки ДНК внутрь клетки. Он заключается в том, что молекулы ДНК налепливают на микрочастицы золота, которыми потом выстреливают с большой скоростью в культуру клеток. В часть клеток эти частицы попадают и оставляют молекулы ДНК, которые с довольно низкой вероятностью встраиваются в геном.

Что именно мы трансформируем?
Но, ведь даже если акт встраивания произойдет, он произойдет в одной клетке! Она как-то должна выжить среди массы других.

Для этого используется генетический маркёр, который содержится в ДНК, которой мы выстрелили. Этим маркером может быть ген устойчивости к гербициду (веществу, ядовитому для растений).

Культуру клеток после выстреливания помещают на среду с гербицидом, к которым устойчивы только трансформированные клетки. На картинке видно, что часть каллусов желтая - мертвая, а часть зеленая. Вот так и проявляется действие гербицида. Каллусом называется неорганизованная масса недифференцированных растительных клеток.

Вы заметили что везде я веду речь не о целом растении, а о культуре его клеток? Это важное дополнение, невозможно «мутировать», то есть трансформировать весь организм сразу (кстати, камень в огород безграмотных sci-fi про мутантов). Приходится работать с отдельными клетками. Приходится - потому что это сложно и неудобно, клетки вне организма очень капризны и часто не хотят расти так, как нам нужно.

Получение живой культуры клеток - это отдельная биотехнологическая задача, о которой речь более идти не будет, так как она слишком сложна для включения в эту статью.

Но в любом случае для работы с культурами клеток еще и стерильные условия, которые можно обеспечить, только приобретя ламинар-бокс и автоклав. Культуры клеток растут на особых средах в чашках Петри. В среды добавляют разные вещества для роста - соли, сахара и самое главное - определенный состав гормонов, который побуждает клетки делиться или формировать взрослые растения.