Новините за „светещи в тъмното“ животни, създадени от поредната група британски или често азиатски учени, се появяват в медиите със завидна периодичност и неизменно шокират обществеността.

Създава се впечатление, че генетиците само се чудят как с пари на данъкоплатците да измислят най-екзотичното издевателство над котки, кучета или прасета.

Разбира се, това не е така – генетичните манипулации над бозайници са насочени към решаване на сериозни медицински и селскостопански проблеми. Но каква връзка може да има между светещата свиня и човешката болест?

Зелена революция

Следва да започнем с поправката на не особено съществени, но широко разпространени в медиите грешки. Нито котките от 2007 година, нито кучетата, получени през 2009-а, нито свинете, промъкнали се в медиите съвсем скоро, светят в тъмното.

Както и десетки други животни, отгледани в лабораториите за последните десет години, всички те наистина светят в зелено – но не в тъмното, а при облъчване със синя или ултравиолетова светлина.

Това свойство се дължи на това, че във всички тези животни се въвежда гена на зеления флуоресцентен белтък (green fluorescent protein, GFP).

Именно биохимичните свойства на последния определят зеленото светене на котките и прасетата. Освен GFP съществуват флуоресцентни белтъци и с други цветове – червен, жълт, син и т.н., но сред тях GFP безспорно е „знаменитост“.

Зеленият флуоресцентен белтък е извлечен от медузата Aequorea victoriaпрез шейсетте години. Но истинска революция в науката той е произвел през деветдесетте, когато бил разшифрован генът, кодиращ GFP. По това време генното инженерство тъкмо започва да набира обороти в биологичните лаборатории по цял свят и учените не съобразяват веднага, че белтъкът от незабележителната с нищо дълбоководна медуза ще може коренно да промени подхода към биологичните експерименти в най-различни области.

Централен проблем практически на всеки експеримент, свързан с ролята на едни или други молекули в клетките, органите или цели организми, е необходимостта по някакъв начин да се видят тези молекули в „естествената им среда“.

Съществуват много методи за „наблюдение“ на молекулярния свят, но повечето от тях изискват клетката или например хистологичният разрез да се „фиксират“, за да могат да се анализират. Процесът на фиксация може да включва обработка с формалин, замразяване и т.н. Ясно е, че след такива манипулации експериментът приключва – клетката вече не може да се възкреси.

GFP и подобните на него белтъци отворили възможността за „проследяване“ на живота на молекулите, не цели клетки и тъкани, които тези молекули обитават. Достатъчен е микроскоп със син лазер и зелен филтър – светенето е безопасно за клетките, но може много да разкаже на учените.

Свързвайки генетично методите на GFP с други белтъци, ние можем да проследим например динамиката на тяхната работа в различни части на организма. Можем да определим къде именно в клетката се намират те, без да притесняваме самата клетка.

Възможностите не се ограничават с белтъците. Определени участъци от ДНК например могат да регулират работата на гените, свързани с рака. Заменяйки последните с генома на GFP и подлагайки клетката на различни въздействия, ние можем, наблюдавайки зеленото светене, да разберем при какви условия се активират механизмите, способни да предизвикат рак.

Това са само прости примери за използването на GFP. Днес почти всяко изследване в областта на клетъчната биология използва този или друг флуоресцентен белтък. За откритието на GFP през 2008 г. е връчена Нобелова награда за химия.

За какво обаче се изисква въвеждането на GFP в цели организми?

Ролята на кънтри музиката в историята на науката

За да стигнем до отговора на този въпрос, е необходимо да си спомним още една научна революция от деветдестте. На 5 юли 1996 година на света се появява най-известната в света овца на име Доли. Известността ѝ се заключава в това, че геномът на Доли е получен не в резултат на сливане на геномите на сперматозоид и яйцеклетка, както обикновено става при бозайниците, а по пътя на имплантиране на „възрастно“ ядро с „готов“ геном в „празна“ яйцеклетка.

Най-интересното е това, че ядрото, използвано за „възпроизвеждането“ на Доли, е взето от соматична (тоест не полова, предназначена за размножение) клетка, а именно от клетка на млечната жлеза. С този факт е свързано и името на Доли – с отчитане на този източник на генетична информация овцата била кръстена на американската кънтри певица Доли Партън, известна с пищните си форми.

Методът, използван за първи път върху Доли, е получил названието соматичен клетъчен ядрен трансфер (somatic cell nuclear transfer, SCNT). Успехът на този метод за първи път доказва на практика, че целият организъм на бозайник може да бъде възпроизведен само въз основа на генетичната информация от една възрастна клетка.

Днес успешното провеждане на SCNT вече не учудва никого. Процедурата е изпробвана и с домашни животни, и с едър рогат добитък, и с много други представители на бозайниците. В чия полза са тези експерименти?

Първо, те позволяват да се клонират вече съществуващи животни. Например в Южна Корея с помощта на клониране размножават кучета за работа на митниците – според специалистите процедурата по клониране в дадения случай е по-изгодна от традиционното размножаване и дресиране на потенциално негодни екземпляри. Същият метод потенциално може да се използва за „възкресяване“ на измрели видове.

Второ, получените цели организми от възрастни клетки откриват широки възможности за генното инженерство. Методите за въвеждане на нови гени в изолирани възрастни клетки са многобройни и добре разработени. Ако от такива модифицирани клетки може да се получат цели организми, то значи може да се манипулира геномът на кучетата и овцете. Именно този факт е доминиращ в неизменния интерес на научната общественост към клонирането на животни.

Генното инженерство и генетичната „риба”

Принципно въвеждането на гени във възрастни клетки с цел бъдещо имплантиране на ядро в „опустошени“ яйцеклетки е доста сложен и изключително неефективен процес. Доста по-просто е да се работи с ембрионални клетки. В този случай те може да се модифицират и поставят в ембриона, когато той вече се развива.

В резултат „обикновените“ и трансгенните клетки се разпределят по зародиша на случаен принцип. Образува се химера – част от клетките на възрастния организъм съдържа въведения ген, а друга – не. Но ако открием такова животно, при което половата система е формирана от модифицирани клетки (включително яйцеклетки и сперматозоиди), то потомството на такива животни ще стане вече пълноценно генномодифицирано.

За съжаление такъв метод е достъпен далеч не за всички животни. Технически трудности (например с култивирането на ембрионални клетки) днес позволява рутинно да се провеждат описаните операции само на мишки. Именно затова мишките са толкова любим обект на биолозите – ние просто не умеем толкова лесно да модифицираме генетично други бозайници.

Като цяло в повечето случаи генната модификация на други бозайници е ограничена от присаждането на ядро. Учените измислят все по-ефективни схеми, включват цели генетични модули, облекчаващи внедряването на гени и подобряващи „преживяването“ на модифицираното ядро в яйцеклетката.

Например в споменатата неотдавнашна работа върху прасета е използвана патентована система от две генетични „сонди“, едната от които кодира белтък от молеца Trichoplusia ni, „изрязващ“ нужния ген и интегриращ го в клетъчния геном. Буквално днес генното инженерство с нищо не отстъпва по сложност на инженерството в традиционното му разбиране.

Модифицирай това

Защо изобщо е необходима генна модификация на животни? За учените, разработващи нови методи на SCNT, този въпрос дори не стои – възможностите на метода са практически безгранични. Но за да не бъдем голословни, си струва да споменем поне няколко примера за потенциално приложение на генната модификация на практика.

Производство на лекарства. Огромно количество лекарствени белтъци се съдържат в естествени източници в толкова малки количества, че е невъзможно да се изолират оттам. Днес повечето такива белтъци се получават с помощта на генномодифицирани дрожди и бактерии. Но тези организми са много далечни от бозайниците и не умеят с точност да пресъздадат човешките белтъци.

Това може да доведе както до ниска ефективност на лекарствата, така и до по-сериозни проблеми – например алергични реакции.

Въвеждайки гени на инсулина, интерферона, фактори, съсирващи кръвта, и много други необходими ни белтъци, например в млечните жлези на крави, ние можем да получим истинска фабрика за лекарства с доста по-високо качество. Такива препарати вече съществуват: например антикоагулантът ATryn, получен от мляко на трансгенни кози и одобрен за медицинско използване в Европа и САЩ.

Ксенотрансплантация. Трансплантацията на органи от животни върху хора може да е изглеждала като безумна идея преди двайсет години, но днес това е въпрос на решаване на някои технически трудности. Например особен интерес представляват пак прасетата, чиято физиология по много параметри прилича на човешката. Част от проблемите с отхвърлянето и съвместимостта на органите вече е решена с „изключването“ на някои свински гени. Някои автори твърдят, че в близките десет години можем да очакваме появата на чифтокопитни донори на органи.

Моделиране на заболяванията. Мишки са помогнали на учените да открият хиляди лекарства, които се използват успешно в практиката. Но гризачите силно се отличават от човека и далеч не всички болести може да се моделират върху мишки. Например изключително неефективни са мишите модели в изследвания на инфаркт на миокарда, болест на Алцхаймер и множествена склероза. По-ефективни методи за генетична манипулация с други животни могат съществено да облекчат живота на биолозите, лекарите и милиони пациенти.

Селско стопанство. Днешната репутация на генномодифицираните продукти не оставя особени надежди за скорошна поява на генномодифицирано месо. И все пак в условията на постепенно изтощение на почвите и природните ресурси, ефективността от производство на храна на единица площ плодородна земя в обозримо бъдеще може да стане върховен фактор, особено в развиващите се страни.

В тази ситуация генната модификация ще се окаже незаменима: от повишената издръжливост на добитъка към патогенни и физически натоварвания до увеличаване на добива на мляко и мускулна маса. Освен това с помощта на генното инженерство може да се намали негативното влияние на животните върху околната среда.

С други думи, генното инженерство върху животните не е просто светещи прасета. Това е решаване на много проблеми, които с други методи е невъзможно да се решат. Струва да си помним това, дори ако се страхуваме да ядем генномодифицирана царевица.