Гендік инженерия немесе шет елдік әдебиеттердегі терминология бойынша “ДНҚ-ның рекомбинантты молекулаларымен жұмыс істеу” – ХХ ғасырдың 70-жылдарында, молекулярлық биологияның дүниеге келуімен қалыптасуының нәтижесінде пайда болған жаңа эксприментальды техника.
Бұның негізні мәні – ДНҚ молекуласының қатаң тәртіпте белгілі бір бөлімшесінің фрагменттеуі және ДНҚ-ның жаңа рекомбинантты молекуласының in vitro жағдайында түзілетіндей болып, сол фрагменттердің бір-бірімен қосылуында. Фрагменттердің бөлімшелері қалай болса солай қыстырылып, полинуклеотидтердің ішіне енуі мүмкін, өйткені клеткалар ферменті оны есептеудің тек басы мен аяғында берілетін сигналдары арқылы хабардар болса, сигналдардың берілу аралықтарында, нуклеотидтердің бірізділігінен бейхабар болады. Бұндай техникалық жағдайдың организмдердің түрі мен туысына байланысты шегі болмайды, өйткені ДНҚ барлық тірі индивидумда біртектес келеді. Бұның өзі қазір іс жүзінде қиындық келтірмейді деген сөз.
Гендің инженерияның әдістерін қолдану үшін, хроммен жақсы өңделген қожайын – Вектор қажет. Вектор – белгілі микроорганизмде дербес репликацияланушылық қабілеті бар, сонымен бірге оған бөгде ДНҚ-ның енуіне кедргі келтірмейтін, ДНҚ-ның шағын молекуласыболады. Бұндай қабілет бактериофагтар мен плазмидтерде байқалады. Екінші шарт – микроорганизмдерге веторлық және рекомбинантты молекулаларды енгізудің тиімді тәсілі болуы керек. Өнеркәсіпте гендік инженерия әдістерін, микробтық синтез көмегімен медицинада қолданылатынадамдар белогын және ветеринарияда қажетті ауыл шаруашылық малдарының белоктарын өндіруге мүмкіндік туды. Мысалы, белгілі бір аурулармен зақымданғандардың организміне тиісті белоктарды – интерферон, полипептидтік гормондарды, иммуномодуляторларды енгізу қажет екені мәлім. Бұндай белоктар органдарда және ұлпаларда өте аз мөлшерде кездеседі, ал олардың кейбіреулерінде дәлме-дәл ерекшелік қасиеттердің болатынын қатаң ескертуді талап етеді. Оларды тек донорлық қандардан немесе өліктер материалдарынан алуға болады.
Бұндай белоктарды микробтық синтез жолымен алу үшін, тиімді технологиялық жағдайларда, өнеркәсіпте қолдануға арналған микроорганизмдерге бөгде гендерді енгізу тәсілдерін жақсылап игеру және осындай микроорганизмдердің тиімді қасиетін одан әрі жетілдіріп, процесті жеделдетуге тигізетін әсерін арттыра түсу керек.
Қажетті белокты түзуші микроорганизмдер штамдарын табу процесі бірнеше кезеңдерден тұрады.
- Алынған белоктың құрылымдық генін бөліп алу немесе құрастыру.
Егерде белоктың аминқышқылдық бірізділігінің құрылымы белгілі болса, онда оның генетикалық кодын білет отырып, мұндай генді синтездеуге болады. Бұл процесс оңай болмағандықтан, проинсулин, интерферон, саомстатин және т.б. сол сияқты белоктардың оннан астамының гендері синтезделген болатын. Геномнан генді оқшаулап алуда, егерде оның құрамында интерферон болмаса ғана, мысалы адам генінің интерфероны, ол мақсатқа сәйкес болады. Микроорганизмдер клеткасы мұндай жағдайда мРНҚ-ның өз қызметін тиісті дәрежеде дұрыс атқаруына қолқабыс көрсете алмайды. Интрондар – ДНҚ нуклеотидінің бірізділігінің кодталмайтын бөлімшесі, ол көптеген жоғары сатыдағы организмдер гендерінде кездеседі.
Құрылымдық гендерді алудың ең тиімді жолдары, оларды кері транскрипция жолымен синтездеу. Бірақ бұл мРНҚ-ны таза түрінде оқшаулап алумен байланысты атқарылатын болғандықтанкөптеген қиындық келтіреді.
- Микроорганизмдерге бөгде гендерді енгізу (экспрессиялау).
Бактериялар немесе ашытқы клеткалары өздерінің жекеменшік реттеуші механизмдері көмегімен, құрылымды геннің ішіне енген бөгде гендерді экспрессиялай алады. Қажетті өнім химерлі белоктар құрамында болғандықтан және оларды бөлуде, ажыратуда, көптеген сатылы реакцияларды қайталауға байланысты мұндай айла әрекеттің пайдасы мардымсыз.
Бөгде гендерді экспрессиялау үшін, тікелей экспрессиялау әдісі қолданылады. Бұл процесті атқару үшін, әрбір нақты жағдайда рибосомаларды байланыстырушы бөлімшелер құрылысының үйлесімділігін анықтап алу керек.
- Реципент немесе қодайын – клеткаларды таңдап алу.
Бөтен мРНҚ тұрақтылығын және бөтен геннің экспрессиясының өнімі болып есептелетін, белоктардың протеолитикалық төмендеуін азайту үшін, қажетті жағдайлармен қамтамасыз ету рецепиент клеткаларды таңдап алуда негізгі көрсеткіш болып саналады. Рибонулеазалар гендеріне тапшы клеткаларында, кейбір эукариоттық гендердің экспресииясы Е. соlі клеткасында арта түсетіні анықталды. Е. соlі клеткасында бөгде белоктардың синтезделуін, протеолизді тоқтатып тастайтын мутациялар қолайлы әсер етеді.
- Жасалынған штамдардың тұрақтылығы.
Микроорганизмдердің бөгде белоктарды өндіру қабілеті плазмидтердің генетикалық материалдарының құрылымдарының қайта өзгеріп құрылуына байланысты болуы мүмкін. Бұл уақиға белгілі бір жиілікпен жүреді. Бұнда құрылымдық қайта өзгеру клетканың плазмидті жоғалтуына қарағанда 100-1000 реттеу сирек кездеседі. Вектор ретінле қолданылатын плазмидалар микроорганизмнің белгілі бір антибиотикке төзімділігіне жауапты, гендердің қоджайыны болып саналатыны белгілі. Сондықтан плазмидтің жоғалуын тоқтату үшін, ферментацияны осы антибиотик бар ортада ғана, яғни популцияда плазидалары жоқ штамдардың жиналуына кедергі келтіру мақсатында жүргізіледі.
3000 әртүрлі белоктар қоспасынан бастапқы препаратты бөліп алу және дайын өнімде қоспа болмайтындай етіп тазалау өте күрделі жұмыс. Бұндай аралас қоспа алынған препаратта мүлде болмауы тиіс. Бұл мәселені шешуде, түзгіш ретінде ортада изобелоктарды көп мөлшерде түзетін ірі клеткаларды (бұған ашытқылар қолайлы) таңдап алған жөн. Штамм – түзгіштерді таңдап алғаннан кейін, өте қатаң бақыланатын жағдайда барлық қажетті бақылаушы өлшегіш аспаптарымен жабдықталғанферменттерда себінді материалдарды бірден көптеп жинауға кіріседі.
Сонымен гендік инженерия әдістерін жасау клеткада жаңа ақпараттарды енгізуге мүмкіндік береді, медицинада, ветеринарияда және тамақ өнеркәсібінде қолданылатын адам, жануарлар және өсімдіктер белоктарының штамдарын тауып, зерттеу жұмыстарын дамытуға, сөйтіп оларды өндіріске ұсынуға мүмкіндік туады. Мысалы, ірімшік өндіруде қолданылатын – ренин белогын, тәтті белок – тауматинді (қанттан 3000 есе тәтті) алу жөніндегі жұмыстар аяқталып оларды өндірудің микробиологиялық технологиясы жасалуда. Сыра қайнатуда және ірімшік даярлауда қолданылатынашытқылар штамдарының геномын енгізу, пентозаны сіңіретін фенол қосылыстарын ыдырататын гендерді табу бағытында, жұмыстар істелуде. Бактериялар көмегімен бұрын қолданылып жүрген әдістермен салыстырғанда, едәуір арзанға түсетін крахмалдан этил спиртін өндірудің технологиясын жасау қолға алынды. ДНҚ-ның сәйкестігін табуға биотехнологияда түрлі әдістер қолданылады.