6.1 Биотехнология рекомбинантных днк

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, высокомолекулярное вещество, содержащееся в ядрах клеток организмов и вместе с белками гистонами образующее вещество хромосом. ДНК – носитель генетической информации, ее отдельные участки соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в правовинтовую спираль. Цепи построены из большого числа мономеров четырех типов нуклеотидов. Нуклеотид состоит из дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и одного их четырех азотистых оснований – аденина, гуанина – пуриновые основания; цитозина, тимина (в РНК – урацила) – пиримидиновые основания.

Азотистые основания нуклеотидов, будучи комплементарно связаны друг с другом (А – Т, Г – Ц), соединяют полинуклеотидные цепи в молекулу ДНК. Сочетания трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи (триплеты или кодоны) определяют генетический код, а их последовательность – характер генетической информации. Способность ДНК к самоудвоению (редупликация) обеспечивает генетическую преемственность между поколениями организмов в процессе размножения.

Расстояния между парами комплементарных оснований по длине спирали равно 0,34 нм. В одном ее витке размещается 10 пар оснований (3,4 нм). Диаметр спирали равен 2 нм. Макромолекула ДНК состоит из 10…15 тыс. и более дезоксирибонуклеотидов. У каждого вида организмов ДНК характеризуется специфическим распределением и количественным молярным соотношением азотистых оснований. Все это дает практически неисчерпаемое разнообразие вариантов, для разных организмов оцениваемое феноменальным числом от 10⁵⁰ до 10¹⁰⁰⁰, в крайних выражениях значительно превышающем число атомов во Вселенной.

Генетическая инженерия – ветвь молекулярной генетики, исследующая возможности и способы создания лабораторным путем (in vitro) генетических структур и наследственно измененных организмов, то есть создания искусственных генетических программ, с помощью которых направленно конструируются молекулярные генетические системы вне организма с последующим их введением в живой организм.

In vitro соединяют фрагменты ДНК, которые в естественных условиях не сочетаются благодаря межвидовым барьерам (рекомбинантные ДНК).

Согласно определению национальных институтов здоровья США, «рекомбинантными ДНК называют молекулы ДНК, полученные вне живой клетки путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироватья в клетке».

Молекула рекомбинантной ДНК представляет собой соединенные вне клетки два компонента: вектор, обеспечивающий механизм репликации и экспрессии, и фрагмент клонируемой (чужеродной) ДНК, содержащие интересующие исследователя генетические элементы.

К наиболее важным методам биотехнологии рекомбинантных ДНК относят следующие:

1) специфическое расщепление ДНК рестрикцирующими нуклеазами, что ускоряет выделение различных генов и манипуляции с ними;

2) быстрое секвенирование (установление последовательностей азотистых оснований в ДНК) всех нуклеотидов в очищенном фрагменте ДНК, позволяющее определить точные границы гена и кодируемую им аминокислотную последовательность полипептида;

3) гибридизацию нуклеиновых кислот, позволяющую с большой точностью выявить специфические нуклеотидные последовательности на основе их способности связывать комплементарные основания;

4) клонирование ДНК, суть которого сводится к введению ДНК-фрагмента в самореплицирующийся генетический аппарат (плазмиду или вирус), который используют для трансформации бактерий. Бактериальная клетка после трансформации способна воспроизводить этот фрагмент во многих миллионах идентичных копий;

5) генетическую инженерию, позволяющую получать модифицированные версии генов и затем внедрять их в клетки или организмы.

Расщепление ДНК в специфических участках нуклеотидных последовательностей осуществляется особыми ферментами – рестрикцирующими нуклеазами, способными разрушить чужеродную ДНК. Все ферменты можно условно разделить на следующие группы:

1) используемые для получения фрагментов ДНК;

2) синтезирующие фрагменты ДНК на матрице РНК;

3) соединяющие фрагменты ДНК;

4) позволяющие осуществить изменение структуры концов фрагментов ДНК;

5) применяемые для приготовления гибридизационных проб.

Каждый фермент, способный разрушить чужеродную ДНК, опознает в ней последовательность из 4…6 нуклеотидов. В настоящее время выпускается более 100 разнообразных рестриктаз. Каждый фермент опознает различные последовательности нуклеотидов и специфично разрывает их. При разрыве образуется серия фрагментов, называемая рестрикционной (рестрикта), с тупыми либо липкими концами. Преимущественно разрывается двунитевая ДНК.

Рисунок 5 – Участки узнавания ДНК тремя рестриктазами из

Haemophilus parainfluenzae (HpaI); Escherichia coli (EcoRI)

и Haemophilus influenzae (HindIII)

Многие рестриктазы вносят разрывы в две цепи ДНК со смещением на несколько нуклеотидов и образованием на концах фрагментов коротких одноцепочечных участков. Они способны образовывать комплементарные пары оснований с любым другим одноцепочечным участком, полученным с помощью того же фрагмента (липкие концы). Липкие концы позволяют легко соединить два любых фрагмента ДНК в одно целое. Полученный фрагмент ДНК можно встроить в очищенную ДНК плазмиды или бактериального вируса.

Сравнение размеров фрагментов ДНК после обработки соответствующего участка генома набором рестриктаз позволяет построить рестрикционную карту, отражающую расположение определенной последовательности нуклеотидов в данном участке. Сравнением таких карт можно оценить степень гомологии между отдельными генами без определения их нуклеотидной последовательности. Рестрикционные карты важны для клонирования ДНК, решения эволюционных и филогенетических задач.

В генной инженерии важно быстро секвенировать (определить последовательность нуклеотидов) любые очищенные фрагменты ДНК. В настоящее время такую информацию обрабатывают с помощью компьютерных программ. В биотехнологии рекомбинантных ДНК используют химический и ферментативный методы секвенирования. Оба метода быстры и результативны.