Gēnu inženierija ir biotehnoloģijas metode, ar kuras palīdzību atrod un izolē nepieciešamo gēnu vienā organismā un ievieto cita organisma DNS molekulā, rezultātā iegūstot pārveidotu DNS molekulu.
DNS kods visos organismos ir universāls, tāpēc iespējams noteiktu DNS fragmentu, konkrēti- gēnu, pārnest no viena organisma uz citu. Gēnu inženierijas metode pārvar dabiskās sugu ģenētiskās izolācijas robežas. Tā, piemēram, zivs gēnu, kas nosaka aukstumizturību, var ievadīt tomātā un padarīt to izturīgu pret zemākām gaisa temperatūrām.
Gēnu inženierijas pamats ir rekombinētās jeb pārveidotās DNS molekulas. Rekombinētā DNS molekula ir izveidota no divu dažādu organismu DNS fragmentiem.
Lai varētu iegūt rekombinētu DNS molekulu, vispirms ar konkrētu enzīmu, kurus sauc par restriktāzi, sašķeļ abas DNS molekulas konkrētā vietā- ar noteiktu slāpekļa bāzu secību. Sašķeļot dažādu organismu DNS ar vienu un to pašu restriktāzi iegūst savstarpēji saderīgus jeb komplementārus DNS galus. Tas nozīmē, ka tie var brīvi savienoties. Tam ir galvenā nozīme rekombinēto DNS molekulu veidošanā, jo jebkuri DNS fragmenti, kas ir izveidojušies vienas un tās pašas restriktāzes darbības dēļ, var savienoties un izveidot rekombinētu DNS molekulu. Ja, piemēram, zivs un tomāta DNS šķeļ viena un tā pati restriktāze, šīs DNS var savienoties. Lai sasķeltās DNS varētu veiksmīgi savienoties, izmanto citu enzīmu - ligāzi.
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. Restriktāzēm lieto īpašus burtu un ciparu apzīmējumus, lai tās atpazītu.
Lai pārvietotu vai ievietotu nepieciešamo gēnu no viena organisma otrā ir nepieciešams gēnu pārnesējs - vektors. Tam tiek izmantotas baktērijas vai to sastāvdaļa- plazmīda, kā arī vīrusi.
Baktērijām ir divu veidu iedzimtības informācija- DNS: hromosomālais DNS, kas nav norobežots no citoplazmas ar kodolapvalku un gredzenveida DNS - plazmīda. Šo plazmīdu ir iespējams izolēt no baktērijas šūnas, apstrādāt ar restriktāzi un ievietot cita organisma gēnu. Baktēriju spēja mitotiski dalīties nodrošina šīs pārveidotās jeb rekombinētās plazmīdas un tajā ietvertās iedzimtības informācijas nodošanu meitšūnām. Baktērijas labvēlīgos apstākļos spēj dalīties ik pēc 30 minūtēm.
Gēnu inženierijā tiek izmantoti arī vīrusi kā vajadzīgā gēna pārnesēju. Vīrusi spēj inficēt saimniekšūnas pateicoties to olbaltumvielu apvalka proteīniem. Pēc pievienošanās tie ievada saimniekšūnās savas nukleīnskābes, lai vairotos. Gēnu inženierijas procesā vīrusa gēni, kas izraisa organisma saslimšanu, tiek aizstāti ar citu, interesējošo gēnu. Pārējais vīrusa genoms nemainās. Rekombinētais vīruss iekļūst saimniekšūnā pateicoties spējai pievienoties šūnai, ievada tajā vajadzīgo gēnu. Tā kā pārējais genoms nav mainīts, tad ir saglabājusies vīrusa spēja izmantojot saimniekšūnas aminoskābes reproducēt jeb pavairot ienesto gēnu un iekļaut to saimniekšūnas DNS.
Gēnu inženierijas piemērs apskatīts zemāk esošā attēlā.
Gēnu inženierijas procesa soļi:
1. No baktērijas (vai vīrusa) izolē gēnu pārnesēju, šajā gadījumā- plazmīdu;
2. Gēnu pārnesēju apstrādā ar restriktāzi (enzīmu);
3. No organisma šūnas, šajā gadījumā- cilvēka šūnas, kas satur nepieciešamo gēnu, izolē DNS;
4. Izolēto DNS apstrādā ar restriktāzi, lai iegūtu nepieciešamo gēnu;
5. Izolētais nepieciešamais gēns tiek ievietots apstrādātajā gēnu pārnesējā un "iešūts" (iestiprināts) ar ligāzes (enzīma) palīdzību;
6. Gēnu pārnesējs ar nepieciešamo gēnu tiek ievietots (ievadīts) organismā, šajā gadījumā- baktērijā;
7. Organisms, kas satur rekombinētu DNS, vairojās un pavairo nepieciešamo gēnu;
8. Var ievietot rekombinētos mikroorganismus bioreaktorā (ierīce, kurā tiek nodrošināti labvēlīgi apstākļi) un tās ražos bioloģiski aktīvās vielas utml.
Svarīgi!
Gēnu inženierijas metodes izmanto, lai iegūtu ģenētiski modificētus organismus (ĢMO) - dzīvniekus un augus, kam piemīt vēlamās īpašības, vai mikroorganismus, kas ražo nepieciešamās vielas, piemēram, medicīniskos preparātus, uztura bagātinātājus u.c. Gēnu inženierijas metodes izmanto arī gēnu terapijā, lai ārstētu vai atvieglotu cilvēka iedzimtās slimības.
Pirmo reizi cilvēka gēns baktērijā tika ievadīts 1980. gadā. Amerikāņu ģenētiķis Arturs Rigss (Arthur Riggs, 1939-2022) ievadīja insulīna gēnu zarnu nūjiņas (Esherichia coli) šūnā. Jau pēc diviem gadiem insulīns, kas izstrādāts ar gēnu inženierijas metodi, bija pieejams diabēta slimniekiem. Atšķirībā no sākotnēji ražotā insulīna, ko ieguva no liellopu un cūku aizkuņģa dziedzera sekrēta (lai iegūtu insulīna devu 0,1g vajadzēja 100 dzīvnieku aizkuņģa dziedzerus), šim medikamentam nebija alerģiskas reakcijas un citas blaknes.
Ir arī neveiksmīgi gēnu inženierijas 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. Uzskata, ka baktērija, kurā bija ievietots cilvēka triptofāna gēns, genoma pārmaiņu dēļ sintezēja arī ļoti toksiskus blakusproduktus.
Pētot zarnu nūjiņas (E.coli) genomu, 1987.gadā uzmanības lokā nonāca interesantu sekvenču (nukleotīdu izkārtojums) kopums, kur vienā virknē vienuviet atkārtojās noteikti garāki un īsāki elementi, ko sauca par palindromiem un starpsekvencēm un saīsināti nosauca par CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats). Būtisks elements ir proteīns Cas9, kas šķeļ “šūnai svešās” (piemēram, vīrusa) DNS vietā, kuru norāda baktērijas sekvences kodēti RNS fragmenti.
Pēc nepilniem desmit gadiem tika izteikta hipotēze, ka šīs sekvences ļauj baktērijām aizstāvēties pret nevēlāmiem DNS saturošiem objektiem, piemēram, vīrusiem jeb bakteriofāgiem. 2007.gadā tika eksperimentāli pierādīts, ka šīs sekvences, nosaka jogurta baktēriju izturību pret bakteriofāgiem. Baktērijas, pateicoties šīm sekvencēm jeb CRISPR, atpazina vīrusus un atvairīja to uzbrukumus. Nedaudz vēlāk tika pierādīts, ka CRISPR sistēmu var pārcelt no vienas baktērijas uz citu un tā darbojas identiski.
Kopš tā laika CRISPR/Cas9 var tikt izmantots jebkurā organismā, lai šķeltu DNS atbilstoši starpsekvencē norādītajai informācijai. Viens no šīs metodes pielietojumiem ir genomu rediģēšana, piemēram, bojāto vai defektīvo gēnu izgriešana. Tehniski tam ir nepieciešami tikai divi komponenti – jau minētais proteīns un speciāli veidota DNS, kas kodē attiecīgo RNS fragmentu, kurš darbosies kā gids, DNS šķeļošo proteīnu nogādājot vietā, kur jāveic iegriezums.
Šo gēnu rediģēšanas metodi tad arī sauc par CRISPR/Cas9 sistēmu. Pēc tam, kad 2013. gadā ar šīs metodes palīdzību tika veiksmīgi rediģēts peles un pēc tam arī cilvēka šūnu genoms, šī metode kļuva arvien populārāka. Šī gēnu modificēšanas metode ir vienkāršāka un lētāka, kā arī tās pielietošana paver daudz iespēju medicīnā un zinātnē.