U svemiru strateške kompjuterske igre StarCraft, vanzemaljska rasa Zerga je izuzetna po tome što je naučila da apsorbuje genetski materijal drugih organizama i transformiše sopstvene gene, menjajući se i prilagođavajući se novim uslovima. Ova, na prvi pogled, fantastična ideja mnogo je bliža stvarnim mogućnostima živih organizama nego što se čini.

Danas znamo mnogo o DNK: više od dva miliona naučnih publikacija posvećeno je ovom dvolančanom molekulu. Molekul DNK se može zamisliti kao tekst napisan pomoću abecede od četiri slova (nukleotida). Ukupnost svih nukleotida koji čine hromozome bilo kojeg organizma naziva se genom. Ljudski genom ima otprilike tri milijarde "slova".

Odvojeni dijelovi genoma su izolirani geni - funkcionalni elementi koji su najčešće odgovorni za sintezu specifičnih proteina. Ljudi imaju oko 20.000 gena koji kodiraju proteine. Proteini, kao i molekuli DNK, su polimeri, ali se ne sastoje od nukleotida, već od aminokiselina. "Abeceda" aminokiselina koje čine proteine ​​ima 20 molekula. Poznavajući nukleotidnu sekvencu gena, može se precizno odrediti sekvenca aminokiselina proteina koji on kodira. Činjenica je da svi organizmi koriste isti (sa malim varijacijama) dobro proučen genetski kod - pravila za slaganje kodona (trojke nukleotida) sa određenim aminokiselinama. Ova svestranost omogućava genima iz jednog organizma da rade u drugom organizmu i dalje proizvode isti protein.

prirodno inženjerstvo

Jedna od glavnih metoda genetskog inženjeringa biljaka koristi agrobakterije i mehanizam modifikacije biljnih genoma koji su razvili (vidi "PM" br. 10 "2005). Geni agrobakterija koje žive u tlu kodiraju posebne proteine ​​koji mogu "vući " određeni molekul DNK u biljnu ćeliju, ugrađuje ga u genom biljke i na taj način prisiljava biljku da proizvodi hranjive tvari koje su bakterije potrebne. Naučnici su posudili ovu ideju i primijenili je zamjenivši gene koji su bakterijama potrebni onima koji kodiraju proteine potrebni u poljoprivredi. Na primjer, Bt toksini, koje proizvode bakterije u tlu Bacillus thuringiensis, koji su apsolutno sigurni za sisare i otrovni za neke insekte, odnosno proteini koji biljci daju otpornost na određeni herbicid.

Razmjena gena za bakterije, čak i one nepovezane, vrlo je česta pojava. Upravo zbog toga su se mikrobi otporni na penicilin pojavili u roku od nekoliko godina nakon početka njegove masovne upotrebe, a danas je problem rezistencije na antibiotike postao jedan od najalarmantnijih u medicini.

Od virusa do organizama

Prirodni "genetski inženjering" ne provode samo bakterije, već i virusi. U genomima mnogih organizama, pa tako i ljudi, postoje transpozoni – nekadašnji virusi koji su odavno integrisani u DNK domaćina i, po pravilu, ne oštećujući ga, mogu „skočiti“ sa jednog mesta u genomu na drugo.

Retrovirusi (kao što je HIV) mogu umetnuti svoj genetski materijal direktno u genom eukariotskih ćelija (kao što su ljudske ćelije). Adenovirusi ne ugrađuju svoje genetske informacije u genome životinja i biljaka: njihovi geni se mogu uključiti i raditi bez toga. Ovi i drugi virusi se aktivno koriste u genskoj terapiji za liječenje širokog spektra nasljednih bolesti.

Dakle, prirodni genetski inženjering ima vrlo široku primjenu u prirodi i igra ogromnu ulogu u prilagođavanju organizama na okoliš. Što je još važnije, svi živi organizmi konstantno prolaze kroz genetske promjene kao rezultat nasumičnih mutacija. Iz ovoga slijedi važan zaključak: zapravo, svaki organizam (osim klonova) je jedinstven i genetski modificiran u odnosu na svoje pretke. On ima i nove mutacije i nove kombinacije prethodno postojećih varijanti gena - u genomu svakog djeteta pronađene su desetine genetskih varijanti koje nijedan od roditelja nije imao. Pored pojave novih mutacija, u toku seksualne reprodukcije u svakoj generaciji, nastaje nova kombinacija genetskih varijanti koje već postoje kod roditelja.

Testirano u eksperimentima

Danas se aktivno raspravlja o sigurnosti prehrambenih proizvoda koji sadrže genetski modificirane organizme (GMO). Za proizvode genetskog inženjeringa koje provodi čovjek, pojam "genetski modificirani organizmi" mnogo je prikladniji, jer vam genetski inženjering omogućava ubrzavanje procesa genetskih promjena koje se javljaju nezavisno u prirodi i usmjeravanje ih u pravom smjeru za osobu. . Međutim, ne postoje značajne razlike između mehanizama genetske modernizacije i prirodnih procesa genetske modifikacije, pa se opravdano može smatrati da proizvodnja GM namirnica ne nosi dodatne rizike.

Međutim, kao i svaka naučna hipoteza, sigurnost GMO-a bila je potrebna eksperimentalna provjera. Nasuprot brojnim izjavama protivnika GMO-a, ovo pitanje se vrlo, vrlo pažljivo proučava više od deset godina. Ove godine u časopisu Kritički osvrti u biotehnologiji objavio pregled gotovo 1800 naučnih radova o proučavanju sigurnosti GMO-a u proteklih deset godina. Samo tri studije izazvale su sumnju na negativan uticaj tri specifične GM sorte, ali te sumnje nisu bile opravdane, u još dva slučaja je utvrđena potencijalna alergenost GM sorti. Jedini potvrđeni slučaj uključivao je ubacivanje gena brazilskog oraha u sortu GM soje. Standardni test u takvim slučajevima na reakciju krvnog seruma ljudi s alergijama na protein nove GM sorte pokazao je postojanje opasnosti, a proizvođači su odbili da promovišu sortu na tržištu.

Osim toga, vrijedno je posebno spomenuti pregled iz 2012. godine objavljen u časopisu Prehrambena i hemijska toksikologija, koji je uključivao 12 studija o sigurnosti GMO hrane u nekoliko (dvije do pet) generacija životinja i još 12 studija na životinjama o dugotrajnoj (tri mjeseca do dvije godine) konzumaciji GMO u hrani. Autori pregleda su zaključili da nema negativnih efekata GMO (u poređenju sa nemodernizovanim kolegama).

Skandalozna otkrića

Zanimljivosti se javljaju oko nekih radova koji navodno pokazuju štetnost određenih GM biljnih sorti. Tipičan primjer koji protivnici GMO-a vrlo rado navode je senzacionalna publikacija francuskog istraživača Séralinija u časopisu Prehrambena i hemijska toksikologija, koji je tvrdio da GM kukuruz uzrokuje rak i povećanu smrtnost kod pacova. U naučnoj zajednici Seralinijev rad izazvao je burne rasprave, ali ne zato što je istraživač primio i objavio neke jedinstvene podatke. Razlog je bio taj što je, sa naučnog stanovišta, posao obavljen krajnje nemarno i sadržavao je grube greške koje su bile uočljive na prvi pogled.

Ipak, fotografije pacova sa velikim tumorima koje je predstavio Séralini ostavile su ogroman utisak na javnost. Unatoč činjenici da njegov članak nije izdržao objektivnu kritiku i povučen je iz časopisa, i dalje ga citiraju protivnici GMO-a, koje očito ne zanima naučna strana problema, a fotografije bolesnih pacova i dalje se prikazuju iz ekrane.

Naučni nivo rasprave o potencijalnim opasnostima GMO-a u medijima i društvu u cjelini zapanjuje svojom naivnošću. Na policama prodavnica možete pronaći skrob, so, pa čak i vodu bez GMO. GMO se stalno miješa sa konzervansima, pesticidima, sintetičkim gnojivima i aditivima za hranu, s kojima genetski inženjering nije direktno povezan. Od stvarnih problema bezbjednosti hrane, takve rasprave vode u sferu spekulacija i zamjene koncepata.

Opasnosti - stvarne i ne

Međutim, ni ovaj članak ni drugi naučni radovi ne pokušavaju dokazati da su GMO „apsolutno bezbjedni“. U stvari, nijedna hrana nije apsolutno bezbedna, jer je čak i Paracelzus rekao čuvenu frazu: „Sve je otrov, i ništa nije lišeno otrova; jedna doza čini otrov nevidljivim. Čak i obični krompir može izazvati alergije, a zeleni sadrži otrovne alkaloide - solanine.

Može li se rad postojećih biljnih gena nekako promijeniti kao rezultat ubacivanja novog gena? Da, može, ali nijedan organizam nije imun na promjene u radu gena. Može li genetski inženjering proizvesti novu biljnu sortu koja će se proširiti izvan poljoprivrednog zemljišta i na neki način utjecati na ekosistem? Teoretski, to je moguće, ali to se dešava svuda u prirodi: pojavljuju se nove vrste, mijenjaju se ekosistemi, neke vrste izumiru, druge zauzimaju njihovo mjesto. Međutim, nema razloga vjerovati da genetski inženjering nosi dodatne rizike za okoliš ili zdravlje ljudi ili životinja. Ali o ovim rizicima se stalno trubi u medijima. Zašto?

GMO tržište je u velikoj mjeri monopolizirano. Među gigantima, Monsanto je na prvom mjestu. Naravno, veliki proizvođači GM sjemena i tehnologija su zainteresirani za profit, oni imaju svoje interese i svoj lobi. Ali oni ne zarađuju novac "iz zraka", već nudeći čovječanstvu progresivne poljoprivredne tehnologije, za koje proizvođači glasaju na najuvjerljiviji način - u dolarima, pezosima, juanima itd.

Glavni proizvođači i dobavljači "organskih" proizvoda uzgojenih po zastarjelim tehnologijama i samim tim skupljim (ali ne i boljim) također uopće nisu mali poljoprivrednici, već iste velike kompanije s višemilijardskim prometom. Samo u SAD-u tržište organskih proizvoda iznosilo je 31 milijardu dolara u 2012. Ovo je ozbiljan posao, a kako organski proizvodi nemaju nikakve prednosti u odnosu na GMO, ali su skuplji za proizvodnju, ne mogu konkurirati GM sortama tržišnim metodama. . Stoga moramo lakovjerne potrošače putem medija inspirirati neosnovanim strahom od mitskih „gena škorpiona“, što stvara potražnju za skupim i niskotehnološkim „organskim proizvodima“. Osim toga, anti-GMO koji opisuju strašne opasnosti genetski modificiranih sorti koje proizvode proteine B. thuringiensis, obično zaborave napomenuti da su preparati na bazi takvih useva ili proteina izolovanih iz njih dozvoljeni u „organskoj poljoprivredi” (i da se široko koriste). Kao i prirodnog stajnjaka, koji može biti izvor gomile patogenih bakterija i drugog prirodnog blata.

Malo politike

Danas je genetski inženjering jedna od najproučavanijih tehnologija u pogledu sigurnosti. Omogućava vam da stvorite bolju hranu, smanjite količinu pesticida koji se koriste u poljima i zaštitite životnu sredinu (da, da zaštitite: više insekata i ptica živi na poljima zasijanim Bt sortama nego na „normalnim“ koje se moraju redovno tretirani insekticidima).

Ali postoji još jedan razlog za "borbu" protiv GMO - isključivo politički. Zemlje koje daleko zaostaju u biotehnologiji pokušavaju pronaći izgovor da jeftinije proizvode iz drugih zemalja drže van svojih tržišta. Međutim, takva zaštita domaćih proizvođača od stranih proizvoda ima smisla samo ako pomaže da se kupi vrijeme za razvoj vlastitih tehnologija do konkurentnog stanja. Ako se to ne učini, postoji ozbiljan rizik od zaostajanja za svjetskim naučnim i tehnološkim nivoom. Zauvijek.

„Uređivači genoma“. Od cinkovih prstiju do CRISPR-a

Pojava metoda za manipulaciju genetskim materijalom označila je pravu revoluciju u biologiji, biotehnologiji i medicini. Ciljana intervencija u genom živih organizama omogućila je rješavanje širokog spektra problema, od stvaranja modificiranih vrsta bakterija, biljaka i životinja s novim vrijednim svojstvima, te ćelijskih modela neophodnih za stvaranje novih lijekova, do razvoj metoda genske terapije koje otvaraju izglede za ispravljanje kongenitalnih genetskih poremećaja.

Ali da bi se uspješno izvršila invazija na "svetinju nad svetinjama" ćelije - njen nasljedni materijal, potrebne su tehnologije koje omogućavaju cijepanje i spajanje molekula DNK u određenim područjima. Zaista revolucionaran iskorak u ovoj oblasti dogodio se prije samo nekoliko godina, kada je na osnovu mehanizama “bakterijskog imuniteta” razvijena jednostavna CRISPR/Cas metoda genetskog inženjeringa koja daje precizan utjecaj na specifične regije DNK. Ova metoda je otvorila fundamentalno nove mogućnosti za manipulacije na nivou genoma viših organizama, omogućavajući uvođenje tačkastih mutacija, ispravljanje, umetanje ili brisanje fragmenata, pa čak i cijelih gena.

Da bi se uspješno izvršila invazija na "svetinju nad svetinjama" ćelije - njen nasljedni materijal, potrebne su tehnologije koje omogućavaju cijepanje i spajanje molekula DNK u određenim područjima.

U ove svrhe možete koristiti restrikcijske enzime - enzime koji mogu prepoznati određene kratke nukleotidne sekvence i cijepati molekulu DNK duž njih. Za povezivanje nukleotidnih fragmenata koriste se enzimi DNK ligaze, koji su dio prirodnih enzimskih kompleksa koji ispravljaju (popravljaju) oštećenja u strukturi DNK. „Unakrsno povezivanje” DNK može se izvršiti i enzimskim kompleksima rekombinacionog sistema, zbog čega dolazi do razmene homolognih fragmenata u sastavu genomske DNK tokom formiranja zametnih ćelija.

Otkriće restrikcijskih enzima i DNK ligaza 1960-ih i 1970-ih. bio je poticaj za nastanak genetskog inženjeringa: uz pomoć ovih enzima bilo je moguće podijeliti DNK na unaprijed određene fragmente i ponovo ih povezati, formirajući nove genetske konstrukcije. Tako su primili (i sada primaju) razne varijante bakterijskih i virusnih genoma.

Međutim, pokazalo se da je ovaj skup alata izuzetno težak za manipulisanje velikim, složenim genomima viših organizama. Problem je bio u tome što restrikcijski enzimi mogu "prepoznati" samo relativno kratke sekvence DNK. Takva specifičnost je sasvim dovoljna za rad sa kratkom DNK virusa i bakterija, jer unutar iste bakterijske DNK specifične kratke nukleotidne sekvence nisu baš česte. Stoga je gotovo uvijek moguće odabrati restrikcijski enzim koji će rascijepiti bakterijsku DNK na prilično mali skup fragmenata, od kojih možete odabrati željene. Uz sreću, čak će biti moguće pokupiti enzim koji će cijepati DNK na jednom, tačno određenom mjestu.

Ali specifičnost restriktaza je potpuno nedovoljna za rad s genomima biljaka i životinja. Takvi genomi sadrže mnogo kratkih sekvenci nukleotida koje prepoznaju restrikcijski enzimi, tako da ciljano djelovanje na jedno specifično mjesto postaje nemoguće. U međuvremenu, da bi se riješio veliki broj najvažnijih problema biotehnologije i fundamentalne medicine, bili su potrebni efikasni i precizni alati za vršenje tačkastog utjecaja na određene regije DNK u genomima viših organizama, uključujući ljude.

Prvo su bile himere

Prvi pokušaji da se stvore metode za uređivanje složenih genoma povezuju se s izgradnjom "umjetnih enzima" u obliku oligonukleotida (kratkih nukleotidnih sekvenci) koji bi se mogli selektivno vezati za određene sekvence u strukturi ciljne DNK i nosili bi kemijske grupe sposobne razdvajanja DNK (Knorre, Vlasov, 1985). Međutim, efikasne metode cijepanja DNK na ovoj osnovi još nisu stvorene.

Ispostavilo se da je konstrukcija himernih nukleaza, složenih proteina koji sadrže dvije strukturne jedinice, od kojih jedna katalizira cijepanje DNK, a druga sposobna da se selektivno veže za određene nukleotidne sekvence u ciljnom molekulu, usmjeravajući djelovanje nukleaze na ovo mjesto. biti stvarno funkcionalan pristup. Takve himerne nukleaze mogu se "proizvesti" direktno u ćeliji: za to se u nju uvode odgovarajući genetski modifikovani konstrukti (vektori) koji kodiraju nukleaze. Takvi vektori su snabdjeveni signalom nuklearne lokalizacije, proteinskom strukturom koja osigurava ulazak konstrukta u jezgro ćelije u genomsku DNK.

Prve među himernim nukleazama bile su nukleaze cinkovih prstiju, koje uključuju takozvane „cink prste“ kao adresiranje. Potonji su proteinski domeni (prilično stabilni i nezavisni elementi tercijarne strukture proteina) koji sadrže molekulu cinka i po obliku zaista podsjećaju na prst (Kim et al., 1996). Svaki "cink prst" je u stanju da "prepozna" i specifično se veže za specifičnu tronukleotidnu sekvencu DNK.

Mora se reći da se domeni cinkovog prsta nalaze u ljudskim transkripcijskim faktorima, proteinima koji regulišu proces sinteze RNK pomoću DNK šablona. Prilikom stvaranja umjetnih nukleaza moguće je konstruirati lanac "cinkanih prstiju" tako da će prepoznati određeni dio DNK. Ako je takav lanac dovoljno dugačak, može prepoznati relativno duge sekvence DNK koje se sastoje od brojnih trinukleotidnih fragmenata. To znači realnu mogućnost ciljanog uticaja na određena područja u sastavu velikih kompleksnih genoma.

Međutim, metoda "cink prstiju" također je otkrila ozbiljne nedostatke: prvo, nije sasvim striktno prepoznavanje trinukleotidnih ponavljanja, što dovodi do primjetnog broja cijepanja DNK u "neciljanim" područjima. Drugo, pokazalo se da je metoda vrlo radno intenzivna i skupa, jer je za svaku sekvencu DNK potrebno stvoriti vlastitu optimiziranu proteinsku strukturu nukleaze cink-prsta. Stoga, sistem "cinkovih prstiju" nije bio u širokoj upotrebi.

Budući da je mehanizam „prepoznavanje“ DNK u ovom slučaju nedvosmislen i jednostavan (jedan nukleotid prepoznaje jedan proteinski domen), dobijanje konstrukta koji specifično prepoznaje sekvencu nukleotida koja je potrebna istraživaču je relativno jednostavan zadatak. Kombinujući takvu strukturu vodiča sa enzimom koji cepa DNK (obično se u tu svrhu koristi FokI, katalitički domen restrikcionog enzima), dobijamo sistem sa visokom specifičnošću delovanja.

Ovdje treba napomenuti da su dvije podjedinice ovog enzima potrebne za uspješno rezanje molekule DNK pomoću FokI. Stoga, sve himerne nukleaze koje sadrže FokI rade u paru: svaka od njih prepoznaje svoje specifično mjesto na različitim lancima molekule DNK. Ova ciljna mjesta su odabrana tako da su na maloj (10-20 nukleotida) udaljenosti, dovoljnoj za dimerizaciju FokI domena, što rezultira formiranjem katalitički aktivne strukture. Budući da se svaki od blokova takve binarne nukleaze veže za DNK nezavisno, tačnost cijepanja DNK je povećana, a utjecaj na "neciljne" sekvence je minimiziran.

Bakterijsko znanje

Uz pomoć umjetnih nukleaza TALENs, teoretski je bilo moguće uvesti dvolančani prekid u bilo koji dio genoma. U 2011. godini, metode genomskog inženjeringa, pre svega upotreba TALEN-a, proglašene su "Metodom godine" od strane renomiranog časopisa Nature Methods zbog njihovog ogromnog spektra mogućih primena u širokom spektru oblasti osnovne i primenjene nauke, od funkcionalnih genomika i razvojna biologija do poljoprivredne biotehnologije.

Međutim, u 2012-2013 dogodio se istinski revolucionarni proboj u ovoj oblasti: razvijena je nova metoda genetskog inženjeringa, CRISPR/Cas, koja je otvorila fundamentalno nove mogućnosti za manipulacije na nivou genoma viših organizama (Cong. et al., 2013). Ova metoda je izuzetno jednostavna, pruža precizan utjecaj na određene regije DNK i može se koristiti u gotovo svakoj modernoj laboratoriji molekularne biologije.

Za razliku od himernih nukleaza, u CRISPR/Cas strukture koje prepoznaju DNK nisu proteini, već kratke RNK. Ideja o stvaranju ovakvog sistema rođena je proučavanjem mehanizama koje bakterije koriste da bi se zaštitile od svojih patogenih virusa (bakteriofaga). Naime, riječ je o osebujnim "imunim" reakcijama bakterija na prodiranje određenog bakteriofaga, što se izražava u selektivnom cijepanju njegove genomske DNK.

Rad ovog mehanizma obezbjeđuju posebni dijelovi bakterijskog genoma - CRISPR lokusi (od Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats - kratkih palindromskih ponavljanja redovno raspoređenih u grupe). Kao što naziv govori, ovaj lokus se sastoji od standardnih ponovljenih nekodirajućih sekvenci bakterijske DNK, a ti ponavljanja su razdvojena razmacima, kratkim fragmentima strane (virusne ili plazmidne) DNK. Potonji se integriraju u bakterijski genom nakon što se DNK bakteriofaga koji je ušao u bakterijsku ćeliju rekombinuje s njenim genomom. Sastav i raspored odstojnika ukazuje na broj "napada" različitih virusa koje su uspješno preživjele sama bakterijska ćelija i (ili) njene roditeljske generacije.

Kako radi? Kada virus koji mu je već "poznat" ponovo prodre u bakterijsku ćeliju, dolazi do sinteze proširene primarne RNK kodirane u CRISPR lokusu. Kao rezultat "sazrevanja" ove primarne DNK, formira se niz kratkih fragmenata (crRNA), od kojih se svaki sastoji od specifične regije koja odgovara razmakniku i univerzalnih regija koje odgovaraju palindromskim ponavljanjima bakterijske DNK. Bakterijska DNK je odgovorna za privlačenje već spomenutih Cas proteina, a razmaknica ima ulogu vodiča: vezuje se za određeni komplementarni dio virusne DNK, nakon čega ga Cas proteini presjeku, osiguravajući uništenje bakteriofaga. Zbog svoje visoke specifičnosti i sposobnosti brzog "podešavanja", CRISPR/Cas sistem radi veoma efikasno, pružajući bakterijama i njihovim potomcima pouzdanu zaštitu od patogena.

Do danas je detaljno opisano nekoliko tipova odbrambenih sistema CRISPR koji djeluju u ćelijama različitih bakterija. "Najpopularniji" je bio CRISPR/Cas sistem tipa II-A koji je pronađen u bakteriji Streptococcus pyogenes, koji se sastoji od tri gena koji kodiraju crRNA, transaktivirajuću RNK (tracrRNA) i protein Cas9. Na osnovu ovog sistema stvoreni su univerzalni genetski konstrukti koji kodiraju elemente vještačkog "uređivača genoma" CRISPR/Cas.

Stvorena je i pojednostavljena verzija sistema, koji funkcioniše kao kompleks proteina Cas9 i jedne vodeće RNK, koji se sastoji od CRISPR transaktivirajuće RNK i kratke „zrele“ crRNA. Vodeća sekvenca prepoznaje ciljni DNK region i vezuje se komplementarno za njega, dok Cas9 seče DNK na pravom mestu.

Koristeći CRISPR/Cas sistem moguće je izvršiti sve vrste modifikacija genoma: uvesti tačkaste mutacije, ubaciti nove gene na određena mjesta ili, obrnuto, ukloniti velike dijelove nukleotidnih sekvenci, ispraviti ili zamijeniti pojedinačne genetske elemente i fragmente gena .

Tehnološki, strategija genomskog inženjeringa korišćenjem CRISPR/Cas sistema obuhvata sledeće korake: izbor ciljne sekvence i određivanje vrste potrebnog uticaja; stvaranje gensko ciljanog konstrukta i njegova dostava u ćelijsko jezgro; analiza zahvaćene regije genoma.

CRISPR sistem se može koristiti za dobijanje genetski modifikovanih ćelija uzgojenih u kulturi i živih organizama. U prvom slučaju se u ćelije uvode plazmidi ili virusni vektori koji obezbeđuju visoku i stabilnu sintezu elemenata sistema CRISPR/Cas. U drugom slučaju, mikroinjektiranjem se u jednoćelijske životinjske embrije unose već „gotove“ crRNA i mRNA iz kojih dolazi do sinteze proteina Cas9. Za dobivanje genetski modificiranih biljaka čije stanice imaju jaku ljusku koriste se protoplasti uzgojeni u kulturi (biljne stanice bez vanjske ljuske) i plazmidi koji kodiraju CRISPR/Cas elemente. Drugi pristup koji se koristi za biljke je korištenje agrobakterija, prirodnih "genetičkih inženjera" koji nose poseban plazmid.

Sadašnjost i budućnost

Zbog svoje jednostavnosti, efikasnosti i širokih mogućnosti, CRISPR/Cas sistem je za kratko vreme već našao primenu u različitim oblastima fundamentalne i primenjene biologije, biotehnologije i medicine.

Modifikacijama različitih elemenata genoma životinjskih i biljnih ćelija i proučavanjem posledica, naučnici su u mogućnosti da istraže ulogu pojedinih gena u funkcionisanju pojedinačnih ćelija i celog organizma. Određeni broj mutantnih laboratorijskih životinja (miševi, pacovi, žabe, ribe) već je dobiven korištenjem CRISPR/Cas sistema. Svi ovi modelni organizmi otvaraju nove izglede za istraživanje razvojne biologije, imunologije i proučavanja bolesti ljudi i životinja.

Jedinstvena sposobnost kompleksa CRISPR/Cas sistema da se selektivno veže za određene regije DNK omogućila je razvoj regulatora genske aktivnosti na njegovoj osnovi. Da bi se to postiglo, sistem uključuje katalitički neaktivan mutantni protein Cas9, za koji se mogu vezati proteini koji aktiviraju ili potiskuju funkcije promotora koji kontroliraju rad gena. Kada je takav kompleks vezan za ciljnu DNK, rad ciljnog gena može biti potisnut ili stimuliran.

Štaviše, kada se koristi CRISPR/Cas sistem, moguće je istovremeno uvesti u ćelije nekoliko genetskih konstrukata usmerenih na različite delove genoma. Ovo vam omogućava da utičete na rad nekoliko gena istovremeno kako biste istražili odnos između njih i njihovo učešće u normalnim i patološkim životnim procesima. Na ovaj način moguće je, na primjer, utvrditi mutacije u genima odgovornim za razvoj rezistencije kancerogenih tumora na kemoterapiju.

Jedan od najvažnijih zadataka moderne biomedicine je stvaranje ćelijskih modela za pretragu i pretklinička istraživanja novih lijekova. Uvođenjem ciljanih modifikacija u genom ljudskih matičnih stanica, dobijamo ćelijske linije koje su modeli nasljednih bolesti uzrokovanih disfunkcijom određenih gena. Takve ćelijske linije su, zapravo, neograničeni izvor "pacijenata in vitro" na kojima se testiraju desetine hiljada različitih hemijskih jedinjenja - potencijalnih lekova.

Velike nade polažu se i na CRISPR/Cas u vezi sa razvojem genske terapije. Unatoč dugogodišnjim opsežnim istraživanjima, još uvijek nije bilo moguće razviti prihvatljive metode za uvođenje gena koji zamjenjuju defektne u stanice. Glavni razlog neuspjeha je korištenje genetskih konstrukata koji sadrže "ekstra" DNK (bakterijsku ili virusnu), štoviše, nekontrolirano su integrirani u proizvoljne regije genoma. Sve je to dovelo do raznih poremećaja u funkcioniranju genetskog aparata, uključujući malignu transformaciju stanica. Međutim, CRISPR/Cas omogućava uvođenje gena u genom s hirurškom preciznošću, čineći gensku terapiju sigurnom.

Štaviše, uz pomoć ove metode ne može se spolja uvoditi “vanzemaljski”, već se uređivati ​​vlastiti genetski aparat, uz održavanje “sopstvenih” regulatornih sistema. Dakle, već je bilo moguće urediti abnormalni gen u matičnim stanicama pacijenta koji boluje od cistične fibroze (Schwank et al., 2013). Takve ćelije sa "popravljenim" genomom mogu se presaditi nazad u telo pacijenta, gde će zameniti bolesne ćelije i nadoknaditi njihovu izgubljenu funkciju.

Najvažniji zadaci moderne biotehnologije i biomedicine koji zahtijevaju razvoj tehnologija za uređivanje genoma su:
stvaranje biljaka i životinja sa novim, vrednim svojstvima i karakteristikama (prinos, otpornost na nepovoljne uslove životne sredine, štetočine i patogene);
dobivanje mutantnih modela životinja za proučavanje ljudskih bolesti;
razvoj metoda genske terapije, korekcija genetskih mutacija u kultivisanim ljudskim matičnim ćelijama;
stvaranje ćelijskih modela za traženje i pretkliničko proučavanje novih lijekova

Upotreba CRISPR/Cas metode u kombinaciji sa ćelijskim tehnologijama otvara fundamentalnu mogućnost radikalnog oslobađanja ljudi od genetskih bolesti kao što su dijabetes melitus, Huntingtonova horeja, mišićne distrofije itd. Genetska intervencija se može izvesti na nivou dobijenih embrija. tokom vantjelesne oplodnje, iz koje je moguće uzgojiti organizam čije će sve stanice imati modificirani genom. Jedina prepreka razvoju ovakvih tehnologija su etički problemi: sva potrebna oprema već postoji i testirana je na laboratorijskim životinjama. Na primjer, bilo je moguće uzgajati zdrave miševe iz embrionalnih stanica u kojima je ispravljen defektni gen odgovoran za razvoj katarakte. Ove osobe su proizvele zdravo potomstvo (Wu et al., 2013).

Moderne terapije, nažalost, ne mogu djelovati na virusnu DNK, koja je dio ljudske DNK. Sistemi koji rade po CRISPR mehanizmu mogu u budućnosti omogućiti radikalno izliječenje takvih kroničnih bolesti uzrokovanih virusima koji se integriraju u ljudski genom (hepatitis B, herpes, HIV, itd.). Tako je poznat slučaj da je takozvani "berlinski pacijent" T. Brown izliječen od AIDS-a kao rezultat transplantacije krvnih matičnih ćelija od donora koji nosi mutaciju "imuniteta" na HIV. Koristeći CRISPR/Cas tehnologiju, moguće je uvesti mutaciju u ovaj gen u ćelije koje se potom mogu transplantirati u tijelo zaražene osobe.

Jedan od najvažnijih zadataka savremene biotehnologije je stvaranje novih rasa stoke, kao i usjeva biljaka, visokoprinosnih i otpornih na nepovoljne uslove. Osnovni cilj primjene CRISPR/Cas metode u biotehnologiji je stvaranje genetski modificiranih životinja i biljaka koje bi imale nova vrijedna svojstva. Uz pomoć ovog sistema već su napravljene precizne modifikacije genoma pšenice i duvana, dobijene su sorte pirinča otporne na bakterije. Xanthomonas, uzrokujući bakterijsku trulež, koja uzrokuje velike ekonomske štete poljoprivredi (Chen i Gao, 2013).

Još jedno zanimljivo biotehnološko područje primjene CRISPR/Cas sistema je proizvodnja životinjskih ili biljnih linija sposobnih za sintetizaciju ljudskih proteina, na primjer, inzulina, koji je neophodan pacijentima sa dijabetesom melitusom, ili albumina koji se koristi u liječenje hemoragičnog šoka, opekotina i ciroze jetre. Sada se albumin dobiva iz ljudske krvne plazme – vrlo ograničen izvor, ali svjetska potražnja za ovim lijekom stalno raste i danas iznosi 500 tona godišnje. Uz pomoć metoda genomskog inženjeringa, gen za ljudski albumin je već uveden u genom riže i goveda (He et al., 2011; Moghaddassi et al., 2014). Takav protein se može izolovati iz biljnih i životinjskih tkiva gdje je sintetiziran i nakon pročišćavanja koristiti u medicinske svrhe.

Nesumnjivo je da će se CRISPR/Cas sistem unaprijediti u bliskoj budućnosti: može se očekivati ​​pojednostavljenje proteinske katalitičke komponente, povećanje selektivnosti sistema i stvaranje efikasnijih načina isporuke do različitih tipova ćelija i celine. organizmi. Već su dobijeni podaci koji ukazuju da je na osnovu CRISPR sistema moguće kreirati sredstva ciljanog djelovanja ne samo na DNK, već i na RNK, što će otvoriti nove mogućnosti za regulaciju aktivnosti gena i suzbijanje virusnih infekcija.

Iako je CRISPR/Cas sistem za uređivanje genoma stvoren tek 2012. godine, već se koristi u mnogim laboratorijama i kompanijama u razvijenim zemljama. Objavljene su stotine rezultata istraživanja korištenjem ove tehnologije, opisani su deseci uspješnih eksperimenata na uređivanju genoma kvasca, glodara, insekata, biljaka i ljudskih stanica.

Komponente sistema u obliku gotovih kompleta proizvodi Life Technologies, koji se nedavno spojio sa Thermo Fisher (SAD), i dostupni su istraživačima. Velike farmaceutske kompanije kao što je Takeda koriste CRISPR tehnologiju za skladištenje genetski modifikovanih matičnih ćelija, ćelijskih modela bolesti.

Uprkos aktivnoj upotrebi ove tehnologije u velikim svetskim naučnim centrima, u Rusiji se CRISPR/Cas koristi samo u nekoliko istraživačkih centara, uključujući Novosibirsk Academgorodok. Danas se TALENs i CRISPR/Cas tehnologije koriste u laboratoriji epigenetike razvoja Instituta za citologiju i genetiku Sibirskog ogranka Ruske akademije nauka, laboratoriji za molekularnu i ćelijsku medicinu Instituta za cirkulatornu patologiju. akademik EN Meshalkin i u laboratoriji matičnih ćelija Instituta za hemijsku biologiju i fundamentalnu medicinu Sibirskog ogranka Ruske akademije nauka u radovima koji se odnose na uvođenje mutacija u ljudske matične ćelije, posebno na stvaranje ćelijskih modela amiotrofična lateralna skleroza, Alchajmerova bolest, Parkinsonova bolest i sindrom dugog intervala Qt.

Međutim, za provođenje istraživanja u punom obimu korištenjem TALEN-a i CRISPR/Cas-a, potrebno je stvoriti konzorcij za ćelijske tehnologije uz uključivanje vodećih stručnjaka baziranih na specijalizovanim istraživačkim institutima Ruske akademije medicinskih nauka: kardiologija, imunologija, neurologija, onkologije i dr. za razvoj novih biomedicinskih tehnologija i visokotehnološke farmaceutske industrije – prioritetne oblasti za razvoj naučno-tehničkog potencijala zemlje.

Trenutno je u razvoju projekat Biobanke ćelijskih modela ljudskih bolesti, čija će osnova biti linije indukovanih pluripotentnih matičnih ćelija dobijenih iz običnih somatskih ćelija osoba obolelih od različitih naslednih i stečenih bolesti. Osim toga, Biobanka će uključivati ​​i ćelijske modele ljudskih nasljednih bolesti – ćelijske linije dobijene korištenjem TALENs i CRISPR/Cas metoda genomskog inženjeringa.

Ćelijske linije i kulture će biti pohranjene u tekućem dušiku, u kojem mogu ostati održive decenijama i koristiti se po potrebi. Sve ćelijske kulture i linije koje se čuvaju u biobanki biće detaljno okarakterisane: za svaku će biti sastavljen „pasoš“ koji će sadržati podatke o njenom poreklu i karakteristikama. Takve ćelijske linije mogu biti dostupne kako akademskim institucijama za sprovođenje osnovnih istraživanja o mehanizmima razvoja bolesti, tako i privatnim kompanijama koje se bave traženjem, razvojem, proizvodnjom i testiranjem novih lijekova.

Književnost

Vlasov VV i dr Komplementarno zdravlju. Prošlost, sadašnjost i budućnost antisense tehnologija // NAUKA iz prve ruke. 2014. br. 1 (55). str. 38-50.

Knorre D. G., Vlasov V. V. // Advances in Chemistry. 1985. V. 54, br. 9. S.1420-1447.

Medvedev S.P. Kako urediti nasljeđe // NAUKA iz prve ruke. 2014, br. 1 (55). str. 10-14.

Song L., Ran F.A., Cox D. et al. Multipleksno inženjerstvo genoma korištenjem CRISPR/Cas sistema // Nauka. 2013, v. 339.

P. 819-823.

Kim Y. G., Cha J., Chandrasegaran, S. (1996). Hibridni restrikcijski enzimi: fuzije cinkovih prstiju sa Fok I domenom cijepanja. Proc Natl Acad Sci U S A 93, 1156-1160.

Moghaddassi S., Eyestone W., Bishop C.E. (2014). TALEN posredovana modifikacija goveđeg genoma za masovnu proizvodnju humanog serumskog albumina. PLoS One 9, e89631.

Schwank, G., Koo, B.K., Sasselli, V. et al. (2013). Funkcionalna popravka CFTR-a pomoću CRISPR/Cas9 u organoidima crijevnih matičnih stanica pacijenata s cističnom fibrozom. Cell Stem Cell 13, 653-658.

Wu, Y., Liang, D., Wang, Y., Bai, M. et al. Korekcija genetske bolesti kod miša upotrebom CRISPR-Cas9. Cell Stem Cell 13, 659-662.

Prve transgene biljke (biljke duhana sa umetnutim genima iz mikroorganizama) dobivene su 1983. godine. Prva uspješna terenska ispitivanja transgenih biljaka (biljke duhana otporne na virusnu infekciju) obavljena su u SAD-u već 1986. godine.

Nakon prolaska svih potrebnih testova na toksičnost, alergenost, mutagenost itd. Prvi transgeni proizvodi komercijalizirani su u SAD-u 1994. To su bili Calgenov paradajz Flavr Savr sa odloženim sazrijevanjem i Monsantova soja otporna na herbicide. Već nakon 1-2 godine, biotehnološke kompanije stavljaju na tržište niz genetski modifikovanih biljaka: paradajz, kukuruz, krompir, duvan, soju, repicu, srž, rotkvice, pamuk.

Trenutno, stotine komercijalnih firmi širom svijeta sa zajedničkim kapitalom većim od sto milijardi dolara su uključene u nabavku i testiranje genetski modificiranih biljaka. Godine 1999. zasađene su transgene biljke na ukupnoj površini od oko 40 miliona hektara, što je veće od veličine zemlje poput Velike Britanije. U SAD-u genetski modificirani usjevi (GM usjevi) sada čine oko 50% usjeva kukuruza i soje i više od 30-40% usjeva pamuka. To sugerira da je genetski modificirana biljna biotehnologija već postala važna industrija za proizvodnju hrane i drugih korisnih proizvoda, privlačeći značajne ljudske resurse i finansijske tokove. U narednim godinama očekuje se dalje ubrzano povećanje površina koje zauzimaju transgene forme gajenih biljaka.

Prvi talas transgenih biljaka odobrenih za praktičnu upotrebu sadržao je dodatne gene za otpornost (na bolesti, herbicide, štetočine, kvarenje tokom skladištenja i stres).

Sadašnja faza u razvoju biljnog genetskog inženjeringa nazvana je "metabolički inženjering". Pritom, zadatak nije toliko poboljšati određene postojeće kvalitete biljke, koliko u tradicionalnom uzgoju, već naučiti biljku da proizvodi potpuno nova jedinjenja koja se koriste u medicini, hemijskoj proizvodnji i drugim oblastima. Ovi spojevi mogu biti, na primjer, posebne masne kiseline, korisni proteini s visokim sadržajem esencijalnih aminokiselina, modificirani polisaharidi, jestive vakcine, antitijela, interferoni i drugi proteini "lijekova", novi ekološki prihvatljivi polimeri i još mnogo, mnogo više. Upotreba transgenih biljaka omogućava uspostavljanje velike i jeftine proizvodnje takvih supstanci i na taj način ih čini dostupnijim za široku potrošnju.

Poboljšanje kvaliteta biljnih proteina za skladištenje

Proteini za skladištenje glavnih kultiviranih vrsta kodirani su familijom blisko povezanih gena. Akumulacija proteina za skladištenje sjemena je složen biosintetski proces. Prvi pokušaj genetskog inženjeringa da se poboljša svojstva jedne biljke uvođenjem gena za skladištenje proteina iz druge izveli su D. Kemp i T. Hall 1983. godine u SAD-u. Fazeolinski gen graha prebačen je u genom suncokreta pomoću Ti plazmida. Rezultat ovog eksperimenta bila je samo himerna biljka, nazvana sanbin. Imunološki srodni polipeptidi fazaolina pronađeni su u ćelijama suncokreta, što je potvrdilo činjenicu transfera gena između biljaka koje pripadaju različitim porodicama.

Kasnije je gen za fazolin prenet u ćelije duvana: u regenerisanim biljkama gen je eksprimiran u svim tkivima, iako u malim količinama. Nespecifična ekspresija gena fazaolina, kao iu slučaju njegovog transfera u ćelije suncokreta, veoma se razlikuje od ekspresije ovog gena u zrelim kotiledonima graha, gde je fazaolin činio 25-50% ukupnog proteina. Ova činjenica ukazuje na potrebu očuvanja ostalih regulatornih signala ovog gena tokom izgradnje himernih biljaka i važnost kontrole ekspresije gena u procesu ontogeneze biljaka.

Gen koji kodira protein za skladištenje kukuruza, zein, nakon njegove integracije u T-DNK, prenesen je u genom suncokreta na sljedeći način. Sojevi Agrobacterium koji sadrže Ti plazmide sa zein genom korišteni su za indukciju tumora u stabljikama suncokreta. Neki od dobijenih tumora sadržavali su mRNA sintetiziranu iz gena kukuruza, što daje osnov da se ovi rezultati smatraju prvim dokazom transkripcije gena jednosupnice u dvosupnici. Međutim, prisustvo proteina zeina u tkivima suncokreta nije otkriveno.

Realniji zadatak za genetski inženjering je poboljšanje aminokiselinskog sastava proteina. Kao što je poznato, u proteinima za skladištenje većine žitarica postoji nedostatak lizina, treonina, triptofana, u mahunarkama - metionina i cisteina. Uvođenje dodatnih količina deficitarnih aminokiselina u ove proteine ​​moglo bi eliminirati neravnotežu aminokiselina. Tradicionalne metode uzgoja uspjele su značajno povećati sadržaj lizina u skladišnim proteinima žitarica. U svim ovim slučajevima, dio prolamina (proteina žitarica topiv u alkoholu) zamijenjen je drugim proteinima koji sadrže mnogo lizina. Međutim, kod takvih biljaka smanjila se veličina zrna i smanjio prinos. Navodno su prolamini neophodni za formiranje normalnog zrna, a njihova zamjena drugim proteinima negativno utječe na prinos. S obzirom na ovu okolnost, za poboljšanje kvaliteta proteina za skladištenje zrna neophodan je protein koji ne samo da ima visok sadržaj lizina i treonina, već može u potpunosti da zameni određeni deo prolamina tokom formiranja zrna.

Biljke mogu proizvoditi i životinjske proteine. Dakle, umetanje u genom biljaka Arabidopsis thaliana i Brassica napus himernog gena koji se sastoji od dijela gena Arabidopsis 25-proteina i kodirajućeg dijela za neuropeptid enkefalin dovelo je do sinteze himernog proteina do 200 ng po 1 g semena. Dvije strukturne proteinske domene bile su povezane sekvencijom koju prepoznaje tripsin, što je omogućilo dalje lako izolovanje čistog enkefalina.

U drugom eksperimentu, nakon ukrštanja transgenih biljaka, u jednu od kojih je ubačen gen za gama podjedinicu, a u drugu, gen za kapa podjedinicu imunoglobulina, bilo je moguće dobiti ekspresiju oba lanca u potomstvu. Kao rezultat toga, biljka je formirala antitijela, koja su činila do 1,3% ukupnog proteina lista. Također je pokazano da se potpuno funkcionalni sekretorni monoklonski imunoglobulini mogu sastaviti u biljkama duhana. Sekretorni imunoglobulini se obično izlučuju u usnu šupljinu i želudac ljudi i životinja i služe kao prva barijera crijevnim infekcijama. U gore spomenutom radu, monoklonska antitijela su proizvedena u biljkama koje su bile specifične za Streptococcus mutans, bakterije koje uzrokuju zubni karijes. Pretpostavlja se da će na osnovu ovakvih monoklonskih antitijela proizvedenih od transgenih biljaka biti moguće stvoriti istinsku pastu za zube protiv karijesa. Od drugih životinjskih proteina od medicinskog značaja, pokazano je stvaranje humanog β-interferona u biljkama.

Također su razvijeni pristupi za dobivanje bakterijskih antigena u biljkama i njihovo korištenje kao cjepiva. Dobiveni su oligomeri iz krompira netoksične podjedinice β-toksina kolere. Ove transgene biljke mogu se koristiti za proizvodnju jeftine vakcine protiv kolere.

Masti

Masne kiseline, glavna komponenta biljnog ulja, najvažnije su sirovine za dobijanje raznih vrsta hemikalija. Po svojoj strukturi to su ugljikovi lanci koji imaju različita fizičko-hemijska svojstva u zavisnosti od dužine i stepena zasićenosti ugljikovih veza. Godine 1995. završena su eksperimentalna ispitivanja i dobijena je dozvola od federalnih vlasti SAD za uzgoj i komercijalnu upotrebu transgenih biljaka uljane repice s modificiranim sastavom biljnog ulja, uključujući, uz konvencionalne 16- i 18-člane masne kiseline, također i do do 45% 12-člane masne kiseline - laureat. Ova supstanca se široko koristi za proizvodnju praškova za pranje rublja, šampona i kozmetike.

Eksperimentalni rad se sastojao u činjenici da je specifični gen za tioesterazu kloniran iz biljke Umbellularia califomica, u kojoj je sadržaj laurata u masti sjemena dostigao 70%. Strukturni dio gena ovog enzima, pod kontrolom promotora-terminatora proteinskog gena specifičnog za ranu fazu formiranja sjemena, umetnut je u genom uljane repice i Arabidopsis, što je dovelo do povećanja sadržaja laurat u ulju ovih biljaka.

Od ostalih projekata koji se odnose na promjenu sastava masnih kiselina, mogu se spomenuti radovi usmjereni na povećanje ili smanjenje sadržaja nezasićenih masnih kiselina u biljnom ulju. Od interesa su eksperimenti s petroselinskom kiselinom, izomerom oleinske kiseline, gdje se dvostruka veza nalazi iza šestog ugljikovog člana. Ova masna kiselina je deo sastava ulja korijandera i određuje njegovu višu tačku topljenja (33°C), dok je u prisustvu oleinske kiseline tačka topljenja samo 12°C. Pretpostavlja se da će nakon prijenosa gena koji određuju sintezu petroselinske kiseline u biljke – proizvođače biljnog ulja, biti moguće proizvoditi dijetetski margarin koji sadrži nezasićenu masnu kiselinu. Osim toga, vrlo je lako dobiti laurat iz petroselinske kiseline oksidacijom ozonom. Dalje proučavanje specifičnosti biohemijske sinteze masnih kiselina, po svemu sudeći, dovest će do mogućnosti kontrole ove sinteze kako bi se dobile masne kiseline različite dužine i stupnja zasićenosti, što će značajno promijeniti proizvodnju deterdženata, kozmetike, konditorskih proizvoda. , učvršćivači, maziva, lijekovi, polimeri. , dizel gorivo i još mnogo toga, što je povezano s korištenjem ugljikovodičnih sirovina.

Polisaharidi

U toku je rad na stvaranju transgenih biljaka krompira i drugih usjeva koji akumuliraju škrob, u kojima će ova tvar biti uglavnom u obliku amilopektina, odnosno razgranatog oblika škroba, ili uglavnom samo u obliku amiloze, odnosno linearnog oblici skroba. Otopina amilopektina u vodi je tečnija i prozirnija od otopine amiloze, koja u interakciji s vodom stvara kruti gel. Tako će, na primjer, škrob, koji se uglavnom sastoji od amilopektina, vjerojatno biti tražen na tržištu proizvođača raznih nutritivnih mješavina, gdje se modificirani škrob trenutno koristi kao punilo. Genomi plastida i mitohondrija također mogu biti podvrgnuti genetskoj modifikaciji. Takvi sistemi mogu značajno povećati sadržaj proizvoda u transgenskom materijalu.

Stvaranje biljaka otpornih na herbicide

U novim, intenzivnim poljoprivrednim tehnologijama, herbicidi se vrlo široko koriste. To je povezano sa tim. da se dotadašnji herbicidi širokog spektra koji su štetni po okolinu, koji su toksični za sisare i dugo opstaju u vanjskom okruženju, zamjenjuju novim, naprednijim i sigurnijim spojevima. Međutim, oni imaju nedostatak - inhibiraju rast ne samo korova, već i kultiviranih biljaka.Takvi visoko efikasni herbicidi kao što su glifosat, atrazini se intenzivno proučavaju kako bi se utvrdio mehanizam tolerancije na njih nekih korova. Dakle, u poljima gdje se atrazin široko koristi, biotipovi otporni na atrazin često se pojavljuju u mnogim biljnim vrstama.

Proučavanje mehanizma otpornosti na herbicide kako bi se dobile genetski modifikovane kultivisane biljke sa ovim svojstvom obuhvataju sledeće korake: identifikaciju biohemijskih meta za delovanje herbicida u biljnoj ćeliji; selekciju organizama otpornih na dati herbicid kao izvora otpornosti geni; kloniranje ovih gena; njihovo unošenje u kultivirane biljke i proučavanje njihovog funkcioniranja

Postoje četiri fundamentalno različita mehanizma koji mogu pružiti otpornost na određena hemijska jedinjenja, uključujući herbicide: transport, eliminacija, regulacija i kontakt. Transportni mehanizam rezistencije sastoji se u nemogućnosti prodiranja herbicida u ćeliju. Pod dejstvom eliminacionog mehanizma rezistencije, supstance koje su ušle u ćeliju mogu se uništiti uz pomoć inducibilnih ćelijskih faktora, najčešće degradirajućih enzima, a takođe podvrgnuti nekoj vrsti modifikacije, formirajući neaktivne proizvode koji su bezopasni za ćeliju. Sa regulatornom rezistencijom, protein ili ćelijski enzim koji je inaktiviran pod dejstvom herbicida počinje da se intenzivno sintetiše, čime se eliminiše nedostatak željenog metabolita u ćeliji. Kontaktni mehanizam rezistencije osigurava se promjenom strukture mete (proteina ili enzima), čija je interakcija povezana sa štetnim djelovanjem herbicida.

Utvrđeno je da je osobina otpornosti na herbicide monogena, odnosno da je osobina najčešće određena jednim genom. Ovo uvelike olakšava mogućnost korištenja rekombinantne DNK tehnologije za prijenos ove osobine. Geni koji kodiraju različite enzime za degradaciju i modifikaciju herbicida mogu se uspješno koristiti za stvaranje biljaka otpornih na herbicide genetskim inženjeringom.

Tradicionalne metode oplemenjivanja za stvaranje sorti otpornih na herbicide su veoma dugotrajne i neefikasne. Herbicid glifosat (komercijalni naziv Roundup), koji se najviše koristi u inostranstvu, inhibira sintezu najvažnijih aromatičnih aminokiselina djelovanjem na enzim 5-enolpiruvilšikimat-3-fosfat sintaza (EPSP-sintaza). Poznati slučajevi rezistencije na ovaj herbicid povezani su ili sa povećanjem nivoa sinteze ovog enzima (regulatorni mehanizam) ili sa pojavom mutiranog enzima neosjetljivog na glifosfat (kontaktni mehanizam). Gen EPSP sintaze izolovan je iz biljaka otpornih na glifosfat i stavljen pod promotor virusa mozaika karfiola. Koristeći Ti plazmid, ovaj genetski konstrukt je uveden u ćelije petunije. U prisustvu jedne kopije gena u biljkama regenerisanim iz transformisanih ćelija, enzim je sintetizovan 20-40 puta više nego u originalnim biljkama, ali je otpornost na glifosfat porasla samo 10 puta.

Atrazin je jedan od najčešćih herbicida koji se koristi u tretiranju usjeva. On inhibira fotosintezu vezivanjem za jedan od proteina fotosistema II i zaustavljanjem transporta elektrona. Otpornost na herbicid nastaje kao rezultat tačkastih mutacija ovog proteina koji vezuje plastokinon (zamjena serina glicinom), zbog čega gubi sposobnost interakcije sa herbicidom. U brojnim slučajevima, bilo je moguće prenijeti mutantni proteinski gen u biljke osjetljive na atrazin korištenjem Ti plazmida. Gen za otpornost integrisan u biljni hromozom je dobio signalnu sekvencu koja je osigurala transport sintetizovanog proteina u hloroplaste. Himerne biljke su pokazale značajnu otpornost na koncentracije atrazina koje su uzrokovale smrt kontrolnih biljaka sa genom za protein divljeg tipa. Neke biljke mogu inaktivirati atrazin cijepanjem ostatka hlora pomoću enzima glutation-S-transferaze. Isti enzim također inaktivira druge srodne herbicide iz serije triazina (propazin, simazin, itd.).

Postoje biljke čija je prirodna otpornost na herbicide zasnovana na detoksikaciji. Dakle, otpornost biljaka na hlorsulfuron može biti povezana sa deaktivacijom molekula herbicida njegovom hidroksilacijom i naknadnom glikozilacijom unesene hidroksilne grupe. Razvoj biljaka otpornih na patogene i štetočine. Otpornost biljaka na različite patogene najčešće je složena multigenska osobina.

Simultani prijenos nekoliko lokusa je težak čak i metodama genetskog inženjeringa, a da ne spominjemo klasične metode selekcije. Drugi način je jednostavniji. Poznato je da se metabolizam mijenja u otpornim biljkama kada ih napadnu patogeni. Akumuliraju se jedinjenja kao što su H2O2, salicilna kiselina, fitoaleksini. Povećan nivo ovih jedinjenja doprinosi otpornosti biljke u borbi protiv patogena.

Evo jednog primjera koji dokazuje ulogu salicilne kiseline u imunološkom odgovoru biljaka. Transgene biljke duhana koje sadrže bakterijski gen koji kontrolira sintezu salicilat hidrolaze (ovaj enzim razgrađuje salicilnu kiselinu) nisu bile u stanju pokrenuti imuni odgovor. Stoga, genetski modificirana promjena nivoa salicilne kiseline ili proizvodnje u biljkama kao odgovor na H2O2 patogen može biti obećavajuća za stvaranje otpornih transgenih biljaka.

U fitovirologiji je nadaleko poznat fenomen inducirane unakrsne rezistencije biljaka na virusne infekcije. Suština ovog fenomena je da infekcija biljke jednim sojem virusa sprečava naknadnu infekciju ovih biljaka drugim virusnim sojem. Molekularni mehanizam supresije virusne infekcije još je nejasan. Pokazalo se da je uvođenje pojedinačnih virusnih gena, na primjer gena za kapsidne proteine, dovoljno za imunizaciju biljaka. Tako je gen za protein omotača virusa mozaika duhana prebačen u ćelije duhana i dobijene su transgene biljke, u kojima je 0,1% svih proteina lista predstavljalo virusni protein. Značajan dio ovih biljaka, kada je zaražen virusom, nije pokazivao nikakve simptome bolesti. Moguće je da protein virusne ovojnice sintetiziran u stanicama sprječava normalno funkcioniranje virusne RNK i stvaranje punopravnih virusnih čestica. Utvrđeno je da ekspresija kapsidnog proteina virusa mozaika duvana, virusa mozaika lucerke, virusa mozaika krastavca, X-virusa krompira u odgovarajućim transgenim biljkama (duvan, paradajz, krompir, krastavci, paprika) obezbeđuje visok nivo njihovog zaštita od naknadne virusne infekcije. Štoviše, kod transformiranih biljaka nije došlo do smanjenja plodnosti, nepoželjnih promjena u rastu i fiziološkim karakteristikama izvornih primjeraka i njihovog potomstva. Vjeruje se da je inducirana otpornost biljaka na viruse posljedica posebnog antivirusnog proteina, vrlo sličnog životinjskom interferonu. Čini se da je genetskim inženjeringom moguće poboljšati ekspresiju gena koji kodira ovaj protein tako što će ga pojačati ili zamijeniti jačim promotorom.

Treba napomenuti da je korištenje genetskog inženjeringa za zaštitu biljaka od različitih patogenih mikroorganizama u velikoj mjeri otežano nedostatkom znanja o mehanizmima odbrambenih reakcija biljaka. Insekticidi se koriste za suzbijanje štetočina insekata u biljnoj proizvodnji. Međutim, štetno djeluju na sisare, ubijaju korisne insekte, zagađuju okoliš, puteve, a osim toga, insekti im se brzo prilagođavaju. Poznato je da je više od 400 vrsta insekata otporno na korištene insekticide. Stoga sve veću pažnju privlače biološka sredstva suzbijanja koja obezbjeđuju strogu selektivnost djelovanja i neprilagođenost štetočina na primijenjeni biopesticid.

Odavno je poznato da bakterija Bacillus thuringiensis proizvodi protein koji je vrlo toksičan za mnoge vrste insekata, dok je u isto vrijeme siguran za sisare. Protein (delta-endotoksin, CRY protein) proizvode različiti sojevi B. thuringiensis. Interakcija toksina sa receptorima je strogo specifična, što otežava odabir kombinacije toksin-insekt. U prirodi je pronađen veliki broj sojeva B. thuringiensis, čiji toksini djeluju samo na određene vrste insekata. Preparati B. thuringiensis se decenijama koriste za suzbijanje insekata na poljima. Sigurnost toksina i njegovih sastavnih proteina za ljude i druge sisare je u potpunosti dokazana. Umetanje gena ovog proteina u genom biljke omogućava dobijanje transgenih biljaka koje ne jedu insekti.

Pored specifičnosti vrste u smislu njihovog djelovanja na insekte, umetanje gena prokariotskih delta-toksina u genom biljke, čak i pod kontrolom jakih eukariotskih promotora, nije dovelo do visokog nivoa ekspresije. Pretpostavlja se da je ovaj fenomen nastao zbog činjenice da ovi bakterijski geni sadrže znatno više baza nukleotida adenina i timina nego biljni DNK. Ovaj problem je riješen stvaranjem modificiranih gena, gdje su određeni fragmenti izrezani i dodati iz prirodnog gena, dok su domeni koji kodiraju aktivne dijelove delta toksina sačuvani. Na primjer, krompir otporan na koloradsku zlaticu dobijen je takvim pristupom. Dobivene su transgene biljke duhana sposobne da sintetiziraju toksin. Takve biljke su bile neosjetljive na gusjenice Manduca sexta. Potonji su umrli u roku od 3 dana od kontakta s biljkama koje proizvode toksine. Formiranje toksina i rezultirajuća otpornost na insekte naslijeđeni su kao dominantna osobina.

Trenutno, takozvane Bt biljke (iz B. thuringiensis) pamuka i kukuruza čine većinu ukupne količine genetski modificiranih biljaka ovih usjeva koje se uzgajaju na poljima Sjedinjenih Država.

U vezi sa mogućnostima genetskog inženjeringa da se konstruišu entomopatogene biljke na bazi toksina mikrobnog porekla, toksini biljnog porekla su još veći interes. Fitotoksini su inhibitori sinteze proteina i vrše zaštitnu funkciju protiv insekata štetočina mikroorganizama i virusa. Najbolje proučavan među njima je ricin sintetiziran u zrnu ricinusa: njegov gen je kloniran i nukleotidna sekvenca je utvrđena. Međutim, visoka toksičnost ricina za sisare ograničava rad genetskog inženjeringa s njim samo na industrijske usjeve koji se ne koriste za ishranu ljudi i stočnu hranu. Toksin koji proizvodi American Phytolacca efikasan je protiv virusa i bezopasan je za životinje. Mehanizam njegovog djelovanja je inaktivacija vlastitih ribozoma kada razni patogeni, uključujući fitoviruse, uđu u stanice. Pogođene ćelije postaju nekrotične, sprečavajući da se patogen umnožava i širi po biljci. Trenutno su u toku studije za proučavanje gena za ovaj protein i njegovo prenošenje na druge biljke.

Virusne bolesti su široko rasprostranjene među insektima, pa se prirodni virusi insekata, čiji se preparati nazivaju virusni pesticidi, mogu koristiti za suzbijanje štetočina insekata. Za razliku od pesticida, imaju uzak spektar djelovanja, ne ubijaju korisne insekte, brzo se uništavaju u vanjskom okruženju i nisu opasni za biljke i životinje. Uz viruse insekata, neke gljive koje inficiraju štetočine insekata koriste se kao biopesticidi. Biopesticidi koji se trenutno koriste su prirodni sojevi entomopatogenih virusa i gljivica, ali se ne isključuje mogućnost stvaranja novih efikasnih biopesticida metodama genetskog inženjeringa u budućnosti.

Povećanje otpornosti biljaka na stresne uslove

Biljke su vrlo često izložene raznim nepovoljnim faktorima okoline: visokim i niskim temperaturama, nedostatku vlage, zaslanjivanju tla i zagađenju okoliša, nedostatku ili, obrnuto, višku određenih minerala itd.

Ovih faktora ima mnogo, pa su stoga i metode zaštite od njih raznolike – od fizioloških svojstava do strukturnih adaptacija koje omogućavaju prevladavanje njihovog štetnog djelovanja.

Otpornost biljaka na određeni faktor stresa rezultat je utjecaja više različitih gena, pa nije potrebno govoriti o potpunom prijenosu osobina tolerancije s jedne biljne vrste na drugu metodom genetskog inženjeringa. Ipak, postoje određene mogućnosti za genetski inženjering za poboljšanje otpornosti biljaka. Ovo se odnosi na rad sa pojedinačnim genima koji kontrolišu metaboličke odgovore biljaka na stresne uslove, na primer, prekomernu proizvodnju prolina kao odgovor na osmotski šok, salinitet, sintezu specifičnih proteina kao odgovor na toplotni šok, itd. Dalje dubinsko proučavanje fiziološke, biohemijske i genetske osnove Reakcija biljke na uslove okoline će nesumnjivo omogućiti upotrebu metoda genetskog inženjeringa za izgradnju otpornih biljaka.

Do sada se može uočiti samo indirektan pristup dobivanju biljaka otpornih na mraz zasnovan na manipulacijama genetskog inženjeringa sa Pseudomonas syringae. Ovaj mikroorganizam, koegzistirajući sa biljkama, doprinosi njihovom oštećivanju ranim mrazevima.Mehanizam pojave je zbog činjenice da ćelije mikroorganizma sintetiziraju poseban protein koji je lokaliziran u vanjskoj membrani i centar je kristalizacije leda. Poznato je da stvaranje leda u vodi ovisi o tvarima koje mogu poslužiti kao centri za stvaranje leda. Protein koji uzrokuje stvaranje kristala leda u različitim dijelovima biljke (listovi, stabljike, korijenje) jedan je od glavnih faktora odgovornih za oštećenja tkiva biljaka podložnih ranim mrazevima. Brojni eksperimenti u strogo kontrolisanim uslovima pokazali su da sterilne biljke nisu oštećene od mrazeva do -6 - 8°C, dok su kod biljaka sa odgovarajućom mikroflorom oštećenja nastajala već na temperaturama od -1,5 - 2°C. Mutanti ovih bakterija, oni koji su izgubili sposobnost da sintetiziraju protein koji uzrokuje stvaranje kristala leda nisu povećali temperaturu stvaranja leda, a biljke s takvom mikroflorom bile su otporne na mraz. Soj takvih bakterija, prskan po gomoljima krumpira, konkurirao je običnim bakterijama, što je dovelo do povećanja otpornosti biljaka na mraz. Moguće je da će takve bakterije, stvorene metodama genetskog inženjeringa i koje se koriste kao komponenta vanjskog okruženja, poslužiti za suzbijanje mraza.

Povećanje efikasnosti biološke fiksacije azota

Enzim odgovoran za redukciju molekularnog azota u amonijum je dobro proučavan. - nitrogenaza. Struktura nitrogenaze je ista kod svih organizama koji fiksiraju dušik. Prilikom fiksacije dušika, neizostavan fiziološki uvjet je zaštita nitrogenaze od uništenja kisikom. Najbolje proučavani među fiksatorima dušika su rizobije koje stvaraju simbiozu sa mahunarkama i slobodnoživućom bakterijom Klebsiella pneumoniae. Utvrđeno je da je 17 gena, takozvanih nif gena, odgovorno za fiksaciju dušika u ovim bakterijama. Svi ovi geni su međusobno povezani i nalaze se na hromozomu između gena za enzime biosinteze histidina i gena koji određuju apsorpciju šikiminske kiseline. U brzo rastućoj rizobiji, nif geni postoje u obliku megaplazmida koji sadrži 200-300 hiljada parova baza.

Među genima za fiksaciju dušika identificirani su geni koji kontroliraju strukturu nitrogenaze, proteinski faktor uključen u transport elektrona i regulatorni geni. Regulacija gena za fiksaciju dušika je prilično složena, tako da se genetski modificirani prijenos funkcije fiksiranja dušika s bakterija direktno na više biljke trenutno više ne raspravlja. Kako su eksperimenti pokazali, čak ni u najjednostavnijem eukariotskom organizmu - kvascu, nije bilo moguće postići ekspresiju nif gena, iako su oni opstajali 50 generacija.

Ovi eksperimenti su pokazali da je dijazotrofija (fiksacija dušika) karakteristična isključivo za prokariotske organizme, a nif geni nisu mogli savladati barijeru koja razdvaja prokariote i eukariote zbog svoje previše složene strukture i regulacije genima koji se nalaze izvan nif regije. Možda će prijenos nif gena uz pomoć Ti plazmida u hloroplaste biti uspješniji, jer su mehanizmi ekspresije gena u hloroplastima i u prokariotskim stanicama slični. U svakom slučaju, nitrogenaza mora biti zaštićena od inhibitornog djelovanja kisika. Osim toga, atmosferska fiksacija dušika je energetski intenzivan proces. Malo je verovatno da biljka pod uticajem nif gena može tako radikalno da promeni svoj metabolizam da bi stvorila sve ove uslove. Iako je moguće da će u budućnosti biti moguće stvoriti ekonomičniji kompleks nitrogenaze koristeći metode genetskog inženjeringa.

Realnije je koristiti metode genetskog inženjeringa za rješavanje sljedećih problema: povećanje sposobnosti rizobije da kolonizira leguminozne biljke, povećanje efikasnosti fiksacije i asimilacije dušika djelovanjem na genetski mehanizam, stvaranje novih mikroorganizama koji fiksiraju dušik unošenjem nif gena u njima, prenoseći sposobnost simbioze sa mahunarki na druge.

Primarni zadatak genetskog inženjeringa za povećanje efikasnosti biološke fiksacije azota je stvaranje sojeva rizobija sa pojačanom fiksacijom azota i sposobnošću kolonizacije. Kolonizacija mahunarki rizobijom teče vrlo sporo, samo nekoliko njih daje nodule. To je zato što je mjesto invazije rizobije samo jedno malo područje između tačke rasta korijena i njoj najbliže korijenske dlake, koja je u fazi formiranja. Svi ostali dijelovi korijena i razvijene korijenske dlake biljke su neosjetljivi na kolonizaciju. U nekim slučajevima formirani čvorići nisu u stanju fiksirati dušik, što ovisi o mnogim biljnim genima (identificirano ih je najmanje pet), a posebno o nepovoljnoj kombinaciji dva recesivna gena.

Koristeći tradicionalne metode genetike i uzgoja, bilo je moguće dobiti laboratorijske sojeve rizobije sa većom kolonizatorskom sposobnošću. Ali oni doživljavaju konkurenciju lokalnih sojeva na terenu. Povećanje njihove konkurentnosti, po svemu sudeći, može se postići metodama genetskog inženjeringa. Povećanje efikasnosti procesa fiksacije azota moguće je primenom tehnika genetskog inženjeringa zasnovanih na povećanju kopija gena, pojačavanju transkripcije onih gena čiji proizvodi čine „usko grlo“ u mehanizmu kaskade fiksacije azota, uvođenjem jačih promotora itd. Važno je za povećanje efikasnosti nitrogenaznog sistema koji direktno redukuje molekularni azot u amonijak.

Poboljšanje efikasnosti fotosinteze

C4 biljke se odlikuju visokim stopama rasta i fotosinteze, praktično nemaju vidljivu fotorespiraciju. Većina poljoprivrednih kultura koje pripadaju C3 biljkama imaju visok intenzitet fotorespiracije. Fotosinteza i fotorespiracija su blisko povezani procesi zasnovani na bifunkcionalnoj aktivnosti istog ključnog enzima, ribuloza bisfosfat karboksilaze (RuBPC). RuBF karboksilaza može vezati ne samo CO2, već i O2, odnosno provodi reakcije karboksilacije i oksigenacije. RuBF oksigenacijom nastaje fosfoglikolat, koji služi kao glavni supstrat za fotorespiraciju, proces oslobađanja CO2 na svjetlosti, uslijed čega se gube neki fotosintetski produkti. Niska fotorespiracija kod biljaka C4 ne objašnjava se odsustvom enzima glikolatnog puta, već ograničenjem reakcije oksigenaze, kao i ponovnom asimilacijom fotorespiracijskog CO2.

Jedan od zadataka genetskog inženjeringa je proučavanje mogućnosti stvaranja RuBPC sa dominantnom aktivnošću karboksilaze.

Dobijanje biljaka sa novim svojstvima

Poslednjih godina, naučnici koriste novi pristup za proizvodnju transgenih biljaka sa "antisense RNA" (obrnutom ili antisense RNA) koja vam omogućava da kontrolišete rad gena od interesa. U ovom slučaju, kada se konstruiše vektor, kopija DNK (cDNK) umetnutog gena se okreće za 180°. Kao rezultat, u transgenoj biljci nastaju normalna mRNA molekula i invertirana molekula, koja zbog komplementarnosti normalne mRNA sa njom formira kompleks i kodirani protein se ne sintetizira.

Ovaj pristup je korišten za dobivanje transgenih biljaka paradajza s poboljšanim kvalitetom ploda. Vektor je uključivao cDNK gena PG, koji kontrolira sintezu poligalakturonaze, enzima uključenog u uništavanje pektina, glavne komponente međućelijskog prostora biljnih tkiva. Proizvod PG gena se sintetiše u periodu zrenja plodova paradajza, a povećanje njegove količine dovodi do toga da paradajz postaje mekši, što značajno smanjuje njihov rok trajanja. Onemogućavanje ovog gena u transgenima omogućilo je dobijanje biljaka paradajza sa novim svojstvima ploda, koje ne samo da su dugo trajale, već su i same biljke bile otpornije na gljivične bolesti.

Isti pristup se može primijeniti i za regulaciju sazrijevanja paradajza, a u ovom slučaju se kao meta koristi gen EFE (etilen-formirajući enzim), čiji je proizvod enzim uključen u biosintezu etilena. Etilen je plinoviti hormon čija je jedna od funkcija kontrola procesa zrenja voća.

Strategija antisens konstrukata se široko koristi za modificiranje ekspresije gena. Ova strategija se koristi ne samo za dobijanje biljaka sa novim kvalitetima, već i za fundamentalna istraživanja u biljnoj genetici. Treba spomenuti još jedan pravac u biljnom genetskom inženjeringu, koji se donedavno uglavnom koristio u bazičnim istraživanjima – proučavanje uloge hormona u razvoju biljaka. Suština eksperimenata je bila da se dobiju transgene biljke sa kombinacijom određenih bakterijskih hormonalnih gena, na primjer, samo iaaM ili ipt, itd. Ovi eksperimenti dali su značajan doprinos dokazivanju uloge auksina i citokinina u diferencijaciji biljaka.

Poslednjih godina ovaj pristup se koristi u praktičnom uzgoju. Pokazalo se da su plodovi transgenih biljaka sa genom iaaM pod promotorom gena Def (gen koji se eksprimuje samo u plodovima) partenokarpni, odnosno formirani bez oprašivanja. Partenokarpno voće karakterizira ili potpuni nedostatak sjemenki ili vrlo mali njihov broj, što omogućava rješavanje problema "dodatnih sjemenki", na primjer, u lubenici, citrusima itd. Već su dobivene transgene biljke tikve, koje se uglavnom ne razlikuju od kontrolnih, ali praktički ne sadrže sjemenke.

Razoružan, lišen onkogena Ti-plazmid, naučnici aktivno koriste za dobijanje mutacija. Ova metoda se zove T-DNA inserciona mutageneza. T-DNK, integrirajući se u genom biljke, isključuje gen u koji je integrirana, a po gubitku funkcije mutanti se lako mogu odabrati (fenomen utišavanja – utišavanje gena). Ova metoda je također izvanredna po tome što vam omogućava da odmah otkrijete i klonirate odgovarajući gen. Trenutno su na ovaj način dobijene mnoge nove mutacije biljaka i klonirani su odgovarajući geni. MA Ramenskaya je na osnovu mutageneze T-DNK dobila biljke paradajza nespecifične otpornosti na kasnu plamenjaču. Ništa manje zanimljiv je još jedan aspekt rada - dobivene su transgene biljke s izmijenjenim dekorativnim svojstvima.

Jedan primjer je proizvodnja biljaka petunije s raznobojnim cvjetovima. Sljedeće na redu su plave ruže s genom koji kontrolira sintezu plavog pigmenta, kloniranim iz delfinijuma.



genetska modifikacija ( GM) - promjena genoma živog organizma korištenjem tehnologije genetskog inženjeringa, uvođenjem jednog ili više gena uzetih iz jednog donorskog organizma u drugi. Nakon takvog uvođenja (transfera), nastala biljka će se već zvati genetski modificirana, odnosno transgena. Za razliku od tradicionalnog uzgoja, izvorni genom biljke gotovo nije zahvaćen, a biljka dobiva nove osobine koje ranije nije posjedovala. Takvi znakovi (karakteristike, svojstva) uključuju: otpornost na različite faktore okoline (na mraz, sušu, vlagu itd.), na bolesti, na štetočine, poboljšane osobine rasta, otpornost na herbicide, pesticide. Konačno, naučnici mogu promijeniti nutritivna svojstva biljaka: ukus, aromu, sadržaj kalorija, vrijeme skladištenja. Korištenjem genetskog inženjeringa moguće je povećati prinose usjeva, što je veoma važno, s obzirom na to da svjetska populacija svake godine raste i da se povećava broj gladnih u zemljama u razvoju.

Tradicionalnim uzgojem nova sorta se može dobiti samo unutar iste vrste. Na primjer, možete uzgajati potpuno novu sortu riže ukrštanjem različitih sorti riže. U ovom slučaju se dobiva hibridna kombinacija iz koje uzgajivač odabire samo oblike koji ga zanimaju.

Budući da se hibridizacija provodi između pojedinačnih biljaka, gotovo je nemoguće razviti sortu koja bi imala karakteristike koje nas zanimaju, a koje će naslijediti naredne generacije. Za rješavanje takvog problema potrebno je dosta vremena. Ako je potrebno razviti novu sortu pšenice i da ova sorta dobije neke karakteristike riže, onda je tradicionalni oplemenjivanje tu nemoćno. Priskočio je u pomoć, kada se koristi, moguće je prenijeti određene karakteristike (svojstva) na eksperimentalno postrojenje, a sve će se to izvesti na nivou DNK, pojedinačni geni. Na sličan način, na primjer, može se prenijeti pšenica gen otpornost na mraz.

Metoda genetičke modifikacije omogućava, barem teoretski, da se izoluju pojedinačni geni koji su odgovorni za određena svojstva živih organizama i usade ih u potpuno različite organizme, uz značajno skraćivanje vremena za stvaranje nove vrste. Zbog toga mnogi uzgajivači i naučnici širom svijeta koriste ovu tehnologiju prilikom uzgoja novih sorti. Sada su razvijene komercijalne sorte usjeva otpornih na pesticide (herbicide), štetočine i bolesti. Takođe, dobijene su sorte poboljšanog ukusa, otporne na sušu i mraz.