Gēnu inženierija ir mērķtiecīga organisma iedzimtības materiāla izmainīšana, lai radītu jaunas vēlamas pazīmes vai lai atbrīvotos no nevēlamām pazīmēm.
Īsumā gēnu inženierija nozīmē kāda konkrēta gēna atrašanu, gēna izolēšanu un ievietošanu cita indivīda DNS molekulā. Arī savstarpēji sakrustojot organismus notiek gēnu ievadīšana citā organismā, bet to var darīt tikai vienas sugas vai ģints robežās.
Gēnu inženierija sugu robežas pārvar, piemēram, var ievadīt oda gēnus zilonim. Pagaidām galvenā šīs metodes nozīme ir tā, ka var ražot olbaltumvielas, kuras ar citām metodēm iegūt ir grūti, dārgi vai riskanti.
Piemēram, augšanas hormons somatotropīns, kas sekmē audu un orgānu vienmērīgu augšanu, ir nepieciešams, lai ārstētu cilvēkus ar augšanas problēmām. Lai iegūtu 5 mg šī hormona, būtu nepieciešamas smadzenes no pusmiljona aitām. Tikpat daudz šī hormona var saražot 9 litri ģenētiski modificētu baktēriju vienā nedēļā.
Pirmo reizi cilvēka gēns baktērijā tika ievadīts 1980. gadā. Tas bija insulīna gēns, ko ievadīja zarnu nūjiņas(Esherichia coli) šūnā. Jau pēc diviem gadiem insulīns, kas izstrādāts ar gēnu inženierijas metodi, bija pieejams diabēta slimniekiem.
Diemžēl, ir arī neveiksmīgi piemēri. 1989. gadā ASV pāršalca tā sauktais triptofāna skandāls. Tūkstošiem cilvēku, kuri bija lietojuši ar gēnu inženierijas metodi iegūtu pārtikas piedevu, kas saturēja triptofānu, smagi saslima ar miaļģiju (muskuļu sāpēm) un eozinofīliju (augsts eozinofīlo leikocītu skaits asinīs). 37 cilvēki nomira, bet tūkstošiem kļuva invalīdi uz mūžu.
Gēnu inženierijas pamats ir rekombinētās DNS molekulas.
Rekombinēto DNS molekulu iegūšana
Rekombinētā DNS molekula ir izveidota no divu dažādu organismu DNS fragmentiem. Lai varētu iegūt rekombinētu DNS molekulu, vispirms ar īpašiem enzīmiem, kurus sauc par restriktāzēm, pāršķeļ DNS molekulu īpašās (specifiskās) vietās. Mūsdienās no baktērijām ir izolēti vairāk nekā 3000 dažādu restriktāžu veidu. Katra no tām šķeļ DNS tikai noteiktā vietā, piemēram, restriktāze Eco RI vienmēr sašķeļ DNS dubultspirāli vietā, kur nukleotīdu secība ir AATT. Ar vienu restriktāzi sašķeļot dažādu organismu DNS, iegūst savstarpēji saderīgus DNS galus - lipīgos galus. Pārgrieztajā DNS molekulā var ievietot cita organisma DNS ar tādiem pašiem lipīgajiem galiem. Tā tiek iegūts transgēns organisms - vidē brīvi dzīvojošs organisms, kurš satur cita organisma gēnus.
Ja, piemēram, cilvēka un baktērijas DNS šķeļ viena un tā pati restriktāze, tad šīs DNS var savienoties tikpat veiksmīgi kā divu baktēriju DNS. Restriktāzēm lieto īpašus burtu un ciparu apzīmējumus, piemēram, EcoRi. Visu organismu šūnās ir ligāzes - enzīmi, kuri savieno DNS lipīgos galus.
Lai ienestu šūnā cita organisma DNS, nepieciešams vektors – DNS pārnesējs. Gēnu inženierijā par vektoriem visbiežāk izmanto baktēriju plazmīdas – nelielas gredzenveida DNS molekulas. Plazmīdas var izolēt no baktērijas šūnas, ģenētiski pārveidot un ievietot citas baktērijas vai eikariota šūnā. Baktērijas plazmīdas vairojas neatkarīgi no baktērijas hromosomas, un tajās esošie gēni var ietekmēt baktērijas īpašības tāpat kā jebkurš hromosomā esošs gēns. Piemēram, daudzām baktērijām plazmīdās atrodas gēni, kuri nosaka to izturību pret antibiotikām.
Izmantojot rekombinētās DNS molekulas, iegūst virkni olbaltumvielu, kuras ir nepieciešamas dažādu slimību ārstēšanai. Piemēram, olbaltumviela cilvēka augšanas faktors tiek izmantota pundurainības ārstēšanai.
Vai, piemēram, diabēta slimniekiem ražo nepieciešamo insulīnu, izmantojot šādu shēmu:
- No baktērijas šūnas izolē plazmīdu, kuru sagriež ar restriktāzi.
- No cilvēka šūnas izolē DNS fragmentu ar insulīna gēnu un sagriež ar tādu pašu restriktāzi.
- Ar ligāzi "iešuj" insulīna gēnu plazmīdā.
- Rekombinēto plazmīdu ievieto baktērijas šūnā.
- Baktērijas audzē baktēriju kultūrā - vidē, kur tām ir nepieciešamie apstākļi, lai augtu un vairotos. Katra baktērija dalās, veidojot ģenētiski identisku baktēriju klonu. Klons ražo cilvēka insulīnu.
Animācija par insulīna sintēzi:
Ar baktēriju palīdzību var sašķelt vidi piesārņojošus produktus, piemēram, naftu, pesticīdus. Kalnrūpniecībā baktērijas izmanto minerālu pārveidošanai. Atsevišķas baktērijas spēj uzņemt no iežiem dažādu metālu jonus un pārveidot tos metāla sulfātos, no kuriem vēlāk var iegūt tīrus metālus.