Mūsų gimnazijoje mokosi mergina, serganti cukriniu diabetu. Ji kasdien laikosi tam tikros dietos ir sistemingai leidžiasi kasos hormoną – insuliną. Deja, bet sergančiųjų šia medžiagų apykaitos liga kasmet vis daugėja. Ligai gydyti galima naudoti panašų ir gyvulių hormoną, nors kai kurie žmonės netoleruoja kiek kitokio insulino. Išeitis – pagaminti identišką hormoną žmogaus insulinui. Tai leidžia padaryti genų inžinerija. Nesuvoksime genų inžinerijos, jeigu nesusipažinsime su DNR sandara ir genetiniu kodu.

1953 m. du mokslininkai, James Watson ir Francis Crick, pateikė pasauliui sensaciją – išaiškino DNR sandarą. To meto amerikiečiai buvo taip susižavėję atradimu, kad vilkėdavo marškinėlius su spiralinės DNR molekulės piešiniu – stambiamolekuliniu biopolimeru, kurio molekulę galima įsivaizduoti kaip karolius, kai vienas karoliukas, vadinamas monomeru, yra nukleotidas.

Šis sudarytas iš trijų dalių: heterociklinės azotinės bazės, deoksiribozės ir fosfato. Nukleotidai vienas nuo kito skiriasi hererocikline azotine baze, kurios būna keturių rūšių: adeninas (A), guaninas (G), citozinas (C), timinas (T).

Į vieną grandinę nukleotidai jungiasi fosfoesterinėmis jungtimis, susidarančiomis tarp vieno nukleotido fosfato ir kito nukleotido deoksiribozės. Dvi grandinės jungiasi tarp savęs vandeniliniais ryšiais, susidarančiais tarp heterociklinių azotinių bazių. Šios jungiasi tam tikra tvarka – adeninas sudaro du vandenilinius ryšius su timinu, o guaninas tris – su citozinu. Tai komplementarumo principas, kurio biologinė reikšmė: susidaro maksimalus vandenilinių jungčių skaičius ir išlieka vienodas atstumas tarp grandinių. Panašiai kaip užtrauktuko.

Beje, komplementarumo principas svarbus DNR dvigubėjant (moksliškai tai vadinama DNR replikacija), kai procesas vyksta pusiau konservatyviu būdu. Paprasčiau šį būdą galima paaiškinti taip: DNR grandinės atskiriamos, naujos molekulės susidaro iš vienos senos (motininės) grandinės ir naujai susintetinamos (dukterinės) pagal komplementarumo principą. Tai svarbu tiek baltymo sintezei, tiek apskritai genetinės informacijos perdavimui (kaip kitaip be DNR replikacijos mes iš tėčio paveldėtume mėlynas akis, o iš mamos – gebėjimą liežuvį susukti vamzdeliu).

DNR atkarpa su tam tikra nukleotidų seka yra vadinama genu. Kiekvienas genas koduoja kažkokį baltymą (tiksliau peptidinę grandinę, nes vienas baltymas gali būti sadarytas iš kelių peptidų). Baltymas yra taip pat stambiamolekulinis biopolimeras, susidedantis iš daug monomerų – aminorūgščių. Tiesa, baltymo santykinė molekulinė masė yra gerokai mažesnė nei DNR.

Tad kaip informacija, esanti gene, paverčiama peptidu? 1954 m. fizikas G. Gamovas, biologas teoretikas M. Yčas ir biochemikas A. Ričas sugalvojo biologinio genetinio kodo tripletus. Tai reiškia, kad trijų nukleotidų derinys koduoja vieną aminorūgštį, pavyzdžiui, GGG koduoja proliną, TTT – liziną ir t. t. Kadangi insulinas yra baltymas, tam tikra geno nukleotidų seka nulemia ir šio hormono sandarą. Jeigu sekoje suklystama, gaunamas hormonas, negebantis atlikti savo funkcijų. Žmogus suserga cukriniu diabetu. Taip paprastai galima paaiškinti, kaip genas lemia požymį.

Vienodas trijų nukleotidų derinys koduoja tą pačią aminorūgštį visuose gyvuose organizmuose. Kitaip sakant, genetinis kodas yra universalus. Įterpus žmogaus insulino geną į bakterijos genetinę medžiagą, ji pradės gaminti norimą hormoną.

Staley ir Herbert Boyer 1973 m. augalų bei gyvūnų genus įterpė į žarnyno lazdelę E.coli. Taigi, pasaulyje 1973 metai vadinami biotechnologijos ir genų inžinerijos mokslo atsiradimo pradžia.

1982 metais buvo pagamintas insulinas. Šio hormono gamybos aprašymas yra klasikinis daugelio vadovėlių genų inžinerijos pavyzdys.

Insulino gamybai naudojamos bakterijos. Šios turi vieną didelę žiedinę DNR ir gali turėti mažą žiedinę DNR, kuri vadinama plazmide. Plazmidės gali praeiti pro bakterijos sienelę ir plazminę membraną. Taigi iš bakterijos yra išskiriama plazmidė, kuri fermentu restriktaze (restrikcijos endonukleaze) „įkerpama“. Šis fermentas ypatingas tuo, kad DNR „kerpa“ tik tam tikroje vietoje (turi būti tam tikra nukleotidų seka). Be to, ne iš karto nukerpa abi grandines – iš pradžių vieną, po to – kitą. Susidaro Z pavidalo darinys, dar vadinamas lipniais galais – tai dvi nedidelės viengrandinės DNR atkarpos.

Skaičiau, kad Lietuvoje esanti bendrovė Thermo Fisher Scientific gamina 200 įprastinių ir 176 „FastDigest" restrikcijos fermentus. Tai antra pagal dydį pasaulyje restrikcijos endonukleazių kolekcija.

Taigi iš žmogaus išskiriama DNR, o iš jos gaunamas reikalingas genas. Tiesa, insulino geną galima pagaminti ir dirbtiniu būdu. Tai žymiai patogiau, negu „žvejoti“ reikalingą geną iš išskirtos DNR.

Plazmidės yra sumaišomos su žmogaus DNR. Fermentas ligazė „įklijuoja“ reikiamą geną į plazminę (prie „lipnių galų“ pagal komplementarumo principą). Gaunamos plazmidės su žmogaus genais (rekombinantinės plazmidės), kurios pereina per bakterijos apvalkalą. Tokia bakterija (genetiškai modifikuota) gali gaminti žmogaus insuliną. Belieka bakterijas padauginti ir gauti reikiamą produktą.

Aišku, vadovėlinis insulino gamybos variantas yra labai paprastas. Teoriškai mes lengvai „įkerpame“, „iškerpame“, „įklijuojame“, bet praktiškai reikia atlikti daug eksperimentų (beje, dauguma jų būna nesėkmingi), reikia daug laiko ir finansinių išteklių.

Leisiu sau moksliškai pafantazuoti: jeigu insulino geną galėtume įterpti į žmogaus kasos Langerhanso ląsteles, tegu pats organizmas gamina reikiamą hormoną. Juolab, kad yra ir geno veikimo reguliacijos mechanizmas.

Bet reikėtų prisiminti, kad žmogus – eukariotinis organizmas. Tai reiškia, kad genetinę medžiagą – chromosomas – gaubia apvalkalas. Kitaip sakant, kad eukariotai turi ryškų branduolį, kuri yra papildoma kliūtis genų inžinerijoje.

Galimas ir kitas variantas – „ištaisyti“ klaidingus genus. Juolab, kad VU Biotechnologijos instituto mokslininkas prof. V. Šikšnys tyrinėja CRISPR sistemą, leidžiančią tiksliai perkirpti norimą DNR seką įvairiuose organizmuose ir ištaisyti dėl netinkamų genų atsiradusias klaidas.

Prof. V. Šikšnys kartu su keturiais kitų šalių mokslininkais, kuriančiais CRISPR technologiją, 2016-aisiais įvertintas ir prestižine Harvardo universiteto (JAV) įsteigta Warreno Alperto fondo premija, kuri buvo įteikta 2016 m. spalio 6 dieną Harvardo universitete.

Manau, kad vertėtų džiaugtis šiuo Nobelio premijos vertu atradimu ir, sekant amerikiečių pavyzdžiu, nešioti marškinėlius su CRISPR užrašu arba sugalvoti ką nors originalaus patiems. Pavyzdžiui, anksčiau rašinyje minėtas lietuvių kilmės Martynas Yčas buvo vienas iš dvidešimties pasaulio mokslininkų „RNR kaklaraiščio klubo“ (1954–1961) narių (šiam priklausė eilė Nobelio premijos laureatų), jo kaklaraištis buvo paženklintas Cys (Cisteino) aminorūgšties simboliu. Žinoma, kad galėtume gėrėtis mokslo vaisiais, turime daug dirbti.

Šiuo metu gaminami ir kiti labai svarbūs produktai, tokie kaip, interferonas, somatotropinas. Interferonas skiriamas sergantiesiems virusinėmis ligomis (ūminiais ir lėtiniais hepatitais B, lėtiniu hepatitu C) ir kai kuriomis onkologinėmis ligomis (leukemija, inkstų karcinoma) gydyti.

Somatotropinas – augimo hormonas. Jis skatina vaiko augimą ir normalų brendimą. Kai trūksta šio hormono, sutrinka vaiko fizinė raida, jis nebeužauga. Jei vaikas vartoja somatropiną, jis užauga normalus.

Genų inžinerija taikoma ne tik medicinoje, bet ir žemės ūkyje. Tik į medicininius produktus visuomenė žiūri teigiamai, o renkantis maisto produktus parduotuvėje, mums malonesnis užrašas: „Aliejus pagamintas iš Lietuvoje užaugintų genetiškai nemodifikuotų rapsų“.

Baiminamasi, kad produktai neseniai naudojami, mažai ištirti, nežinomas galimas poveikis. Genetiškai modifikuoti organizmai gali išstumti natūraliai augančias rūšis iš ekosistemų. Niekas nenorėtų triušių demografinio sprogimo Australijoje antro varianto. Be to, naujovės dažnai gąsdina. Kaip bebūtų, mokslas žengia pirmyn.

Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje ypatingai susidomėta genetiškai modifikuotais augalais net norėta išvesti tokias maistinių kultūrų veisles, kurios duotų gausų derlių be didesnių trąšų ir pesticidų sąnaudų, reikalautų mažiau priežiūros. 1995 m. JAV ūkininkai užaugino pirmuosius genetiškai modifikuotus kukurūzus, atsparius vabzdžiams ir genetiškai modifikuotas sojas, atsparias herbicidui glifosatui. Genetiškai modifikuoti kukurūzai gali būti ekologiškesni, nes nereikės šių augalų purkšti insekticidais, teršiančiais aplinką.

Šiuo metu modifikuojami augalų požymiai, tokie kaip atsparumas virusiniams, bakteriniams ir grybiniams patogenams (augalai, ekspresuojantys fitolakos antivirusinį baltymą, yra atsparūs daugeliui virusinių infekcijų), pasikeitusi augalų sudėtis (augalas praturtinamas kai kuriais komponentais, pvz., metioninu ar provitaminu A, arba geba sintetinti polihidroksialkanoatus, iš kurių gaminama biodegraduojama plastmasė).

Genetiškai modifikuoti gyvūnai gali gaminti žmogaus gydymui naudingus baltymus (visi jie gaunami iš pieno): laktoferinas, gaunamas iš raguočių, naudojamas kaip geležies papildas kūdikių maiste; audinių plazminogeno aktyvatorius (TPA), gaunamas iš ožkų, tirpdo kraujo krešulius; antikūnai, gaunami iš raguočių, naudojami kovai su specifinėmis ligomis; Faktorius IX, gaunamas iš avių, skirtas kai kurioms paveldimoms hemofilijos formoms gydyti. Šį sąrašą būtų galima tęsti…

Geriausia visada būtų puikiai jaustis ir niekada nesirgti. Bet gerai, kad susirgus pvz., cukriniu diabetu, galima sulaukti pagalbos. Jeigu negalima išgydyti ligos, tai nors sušvelniname jos požymius ir pageriname gyvenimo kokybę. To ir linkiu gimnazistei, paskatinusiai pasidomėti šia problema.

Akvilė Kirėjevaitė, Šiaulių r. Kuršėnų Lauryno Ivinskio gimnazija, 3 Gb (11) klasės mokinė, konsultavo – biologijos – chemijos mokytoja Laima Jonušaitė ir lietuvių kalbos mokytoja Raimonda Rumbinaitė.

Naudota literatūra

Sylvia S. Mader. Biologija. I knyga. Vilnius: Alma littera, 1999, p. 50, 51, 270, 271.