ГЕНЕТИЧКО ИНЖЕЊЕРСТВО

ГЕНЕТИЧКО ИНЖЕЊЕРСТВО, технике које омогућују комбиновање наследног материјала и стварање рекомбинантних молекула ДНК. Универзалност генетичког кода пружа могућност комбиновања генетичког материјала пореклом из различитих организама и пренос рекомбинантне ДНК из једног живог система у други. Сматра се да доба г. и. почиње 1968. с открићем Стенлија Кохена који је показао да бактерије поседују плазмиде који имају способност аутономне репликације. Плазмиди су касније широко примењени као вектори (носачи) у процесима стварања рекомбинантних молекула ДНК. Две године касније Херберт Бојер је открио рестрикционе ензиме који „секу" ДНК молекуле на тачно дефинисаним местима стварајући фрагменте жељених дужина, а Мартин Гелерт је открио ензим ДНК лигазу која омогућује спајање фрагмената ДНК. Пол Берг је направио први рекомбинантни ДНК молекул 1972. комбиновањем ДНК пореклом из два различита организма. Годину дана касније научници Стенли Кохен и Херберт Бојер конструисали су први плазмидни вектор у који су уградили ген пореклом из жабе. Овај рекомбинантни ДНК молекул је унет у бактерију E. coli где је успешно експримиран клонирани ген жабе. Након тога ова бактерија постаје лабораторијски модел систем за клонирање страних ДНК и за истраживања у области г. и. Значајан допринос развоју и даљој примени г. и. дали су научници Волтер Гилберт и Фред Сангер који су развили технике секвенцирања ДНК, односно одређивања редоследа нуклеотида у молекулу ДНК. Сангерова метода секвенцирања заснована на терминацији синтезе ланаца ДНК нашла је широку примену у свим фундаменталним истраживањима, а касније је примењена и на великој скали, за секвенцирање генома човека. За достигнућа у проучавању биохемије нуклеинских киселина и развоју технологије рекомбинантне ДНК Пол Берг, Волтер Гилберт и Фред Сангер су 1980. награђени Нобеловом наградом.

Г. и. је пружило основу за манипулисања генетичким материјалом и даљи развој технологија молекуларног клонирања које се заснива на генерисању рекомбинантних молекула који настају спајањем жељених фрагмената ДНК и вектора. Рекомбинантни молекули се затим уносе у ћелије домаћина где се клонирани ДНК фрагмент везан за вектор бесконачно умножава. Умножавање жељених фрагмената ДНК може се постићи и ван живе ћелије независно од коришћења вектора применом ланчане реакције умножавања ДНК (енг. PCR-polymerase chain reaction). Ову методу г. и. открио је истраживач Кари Мулис и за ово откриће је 1993. награђен Нобеловом наградом. Г. и. је, по први пут, омогућило клонирање гена, што је довело до развоја молекуларне генетике која се бави проучавањем структуре и функције гена. Даље анализе засноване на манипулисању генима омогућиле су проучавања регулације експресије и функције коју гени обављају унутар ћелије или организма. Такође, г. и. је омогућило продор нових и ефикаснијих приступа у дијагностици, третману и предвиђању појаве многих болести. Утврђивање промена у генима човека које доводе до појаве патолошког стања отворило је пут за развој генске терапије засноване на примени техника г. и. Генска терапија обухвата различите терапеутске стратегије у којима се гени, сегменти гена или олигонуклеотиди убацују у ћелије пацијената у циљу лечења или превенције појаве болести. Прва успешна генска терапија примењена је 1985. у лечењу тешког облика имунолошке дефицијенције. У експериментима којима је руководио Френч Андерсон, мутирани ген је замењен „здравим", што је омогућило успостављање нормалног имунолошког одговора и излечење пацијента.

Комерцијални потенцијал примене г. и. у коришћењу ћелија као „фабрика" за производњу хормона и протеина први су искористили Роберт Свансон и Херберт Бојер који су 1978. произвели Хумулин (хумани инсулин), који је постао први продукт рекомбинантне технологије који се нашао на тржишту. Са применом техника г. и. почела је да се развија и молекуларна биотехнологија. Примена молекуларне биотехнологије базиране на г. и. омогућила је модификације гена, комбиновање генетичког материјала, пренос гена из једне у другу биолошку врсту и стварање трансгених организама. У области медицине г. и. је допринело развоју и примени нових дијагностичких и терапеутских приступа, развоју предиктивне генетике, фармакогенетике и персонализоване медицине. Данас се успешно трагање за новим лековима и даљи развој фармаколошке индустрије не може замислити без примене г. и. Крајњи циљ је производња лекова који ће бити креирани за сваког појединца понаособ, у складу са његовом генетичком конституцијом и применом персонализоване медицине. Стални напредак у технологијама г. и. отворио је невероватне продоре у пољу генске терапије, геномике, као и у терапеутском и репродуктивном клонирању. Применом техника репродуктивног клонирања заснованим на нуклеарном трансферу 1996. клониран је и први сисар, овца Доли.

Истраживања заснована на примени г. и. присутна су у нашој средини већ дуги низ година. Институт за молекуларну генетику и г. и. основан је у Београду 1986, као прва научна институција у земљи која се бавила истраживањима усмереним на развој и примену метода г. и. у молекуларној генетици. Данас овај институт обухвата лабораторије које се баве проучавањем молекуларних генетичких основа леукемија, таласемијских синдрома, инфламаторних болести црева и фенилкетонурија; фармакогенетиком; идентификовањем мутација и полиморфизама у гену за цистично-фиброзни регулатор трансмембранске проводљивости (CFTR-ген) и применом молекуларне биологије у медицини; функционалном карактеризацијом чланова фамилије мишићних протеина који поседују поновљене анкиринске низове (МАRP) и њиховом потенцијалном улогом у неуромишићним болестима; клонирањем, проучавањем структуре, регулације експресије и функције хуманих SOX гена (сродних гену који одређује пол); филогенетском анализом варијација на нивоу митохондријалне ДНК и анализом географске дистрибуције и диверзитета генетичких варијација; молекуларном генетиком актиномицета и срединских микроорганизама, посебно корисних бактерија, као и изучавањем микробиолошког диверзитета различитих станишта у циљу идентификације нових гена, метаболита и микроорганизама; клонирањем и изучавањем регулације експресије одабраних гена бактерија млечне киселине и псеудомонада (Pseudomonas sp.), као и карактеризацијом и клонирањем гена одговорних за синтезу антимикробијалних једињења код Bacillus sp; испитивањем гена укључених у одговор биљака на различите абиотичке стресове са становишта регулације генске експресије на транскрипционом и посттранскрипционом нивоу; проналажењем нових гена кандидата за селекцију и биотехнолошку примену код агрономски значајних врста.

У Центру за Хуману молекуларну генетику, који је основан 1997. на Биолошком факултету Универзитета у Београду, истраживања су усмерена на изучавање молекуларних механизама настанка динамичких мутација као и молекуларне патогенезе која лежи у основи настанка тешких и неизлечивих болести. Такође, сарадници Центра били су пионири форензичне генетике у нашој земљи.

У Институту за нуклеарне науке „Винча" обављају се истраживања у областима молекуларне биологије, биологије ћелије, биологије репродукције, молекуларне ендокринологије, молекуларне биомедицине и молекуларне радиобиологије, а проучава се и молекуларна генетика малигних болести и генетска епидемиологија масивних обољења популације.

Сарадници Института за биолошка истраживања „Синиша Станковић" баве се испитивањем молекуларних механизама регулације експресије гена еукариота са посебним освртом на улогу регулаторних протеина; испитивањем молекуларних механизама функционисања рецептора за стероидне хормоне; проучавањем целуларних и молекуларних механизама који леже у основи пластичности нервног система, канцера и процеса опоравка након оштећења централног нервног система; анализом орган-специфичних аутоимунских и имуноинфламаторних болести, као и експерименталном онкологијом; детекцијом и праћењем експресије трансгена, као и праћењем генског полиморфизма код различитих врста биљака и гљива.

ЛИТЕРАТУРА: B. Ćurčić, I. Radović (ур.), Symposium „145 years of Biology and 25 years of Molecular Biology in Serbia" (1853--1972--1998), Bg 1998; S. B Primrose, R. M. Twyman, R. W. Old, Principles of gene manipulation, Malden--Oxford--Carlton 2001; J. D. Watson, Recombinant DNA: Genes and Genomes: A Short Course, New York 2007; B. R Glick, J. J. Pasternak, Molecular Biotechnology: Principles and Applications of Recombinant DNA, Washington 2010; T. Strachan, A. Read, Human Molecular Genetics, New York 2010.

М. Стевановић

*Текст је објављен у 1. књизи III тома Српске енциклопедије (2018)