Биотехнологияның маңызды құрамдас бөлігі генетикалық инженерия болып табылады. 70-ші жылдардың басында дүниеге келген ол бүгінде үлкен жетістіктерге қол жеткізді. Гендік инженерия әдістері бактериялардың, ашытқылардың және сүтқоректілердің жасушаларын кез келген ақуызды ауқымды өндіру үшін «фабрикаға» түрлендіреді. Бұл ақуыздардың құрылымы мен функцияларын егжей-тегжейлі талдауға және оларды дәрілік зат ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Қазіргі уақытта ішек таяқшасы (e.coli) инсулин және соматотропин сияқты маңызды гормондардың жеткізушісі болды. Бұрын инсулин ұйқы безінің жасушаларынан алынған, сондықтан оның құны өте жоғары болды.
Гендік инженерия-генетикалық материалды (ДНҚ) бір ағзадан екіншісіне көшірумен байланысты молекулалық биотехнология бөлімі.

«Генетикалық инженерия» термині 1970 ж.ғылыми әдебиетте пайда болды, ал генетикалық инженерия дербес пән ретінде 1972 ж. желтоқсанында П. Берг пен Стенфорд университетінің (АҚШ) қызметкерлері SV 40 ДНК вирусынан және λdvgal бактериофагынан тұратын бірінші рекомбинантты ДНК алды. Біздің елімізде молекулалық генетика мен молекулалық биологияның дамуы, сондай-ақ 1972 жылы 4 мамырда КСРО Ғылым Академиясының биологиялық зерттеулер ғылыми орталығында қазіргі биологияның даму үрдісін дұрыс бағалауының арқасында. Пущино (Мәскеу астында) генетикалық инженерия бойынша бірінші жұмыс кеңесі өтті. Осы кеңестен бастап Ресейдегі генетикалық инженерияның дамуының барлық кезеңдерін есептеу жүргізіледі.

Генетикалық инженерияның қарқынды дамуы зерттеулердің жаңа әдістерін әзірлеумен байланысты, олардың ішінде негізгі:

ДНҚ ыдырауы (рестрикция) гендерді және олармен манипуляцияларды бөлу үшін қажет;

нуклеин қышқылдарының гибридизациясы, бұл кезде олардың комплементарлық принципі бойынша бір-бірімен байланыса алу қабілеттілігінің арқасында ДНҚ және РНҚ өзіндік реттілігін анықтауға, сондай-ақ әртүрлі генетикалық элементтерді біріктіруге болады. ДНҚ invitro амплификациясы үшін полимеразды тізбекті реакцияда қолданылады ;

ДНҚ клондау-ДНҚ фрагменттерін немесе олардың топтарын тез нығыздайтын генетикалық элементтерге (плазмидтер немесе вирустар) енгізу жолымен жүзеге асырылады, бұл гендерді бактериялар, ашытқылар немесе эукариот жасушаларында көбейтуге мүмкіндік береді;

ДНҚ клондалатын фрагменттегі нуклеотидтік тізбектерді анықтау(секвенирлеу). Гендердің құрылымын және олар кодтайтын ақуыздардың аминқышқыл тізбегін анықтауға мүмкіндік береді;

полинуклеотидтердің химиялық-ферментативті синтезі-гендердің мақсатты модификациясы және олармен манипуляцияларды жеңілдету үшін жиі қажет.

Б. Глик және Дж. Пастернак (2002) рекомбинантты ДНК эксперименттерінің келесі 4 кезеңін сипаттады:

1. Донор ағзадан жаңа рекомбинантты молекула («клондау векторы-кірістірілген ДНК»конструкциясы) түзе отырып, басқа ДНҚ — мен (клондау векторы, клондау векторы) біріктіріледі.

2. Бұл конструкцияны иесі (реципиент) торына енгізеді, онда ол репликацияланады және ұрпақтарына беріледі. Бұл процесс трансформация деп аталады.

3. Рекомбинантты ДНҚ (трансформацияланған жасушалар) көтеретін жасушаларды сәйкестендіреді және іріктейді.

4. Иесімен синтезделген ерекше ақуыз өнімдерін алады, бұл ізделген геннің клондануының дәлелі болып табылады.

Мал шаруашылығындағы клондау және биотехнология

Клондау-клон алу үшін қолданылатын әдістер жиынтығы. Көп жасушалы организмдерді клондау соматикалық жасушалардың ядроларын алып тасталған пронуклеуспен ұрықтандырылған жұмыртқаға көшіруді қамтиды. Дж. Гердон (1980) алғаш рет тінтуірдің ұрықтанған аналық жасушасының пронуклеусына МИКРОИНЪЕКЦИЯЛАР арқылы ДНҚ-ны ауыстыру мүмкіндігін дәлелдеді. Содан кейін Р. Бринстер және т. б. (1981) бауыр және бүйрек жасушаларында NSV тимидинкиназаның көп мөлшерін синтездеген трансген тіндерін алды. Бұл металлотионеин-I генінің промоторымен NSV ген тимидинкиназасын инъекциялау арқылы қол жеткізілді.

1997 ж. Уилмут және т.б. қойды ересек қойдан ядро тасымалдау әдісі арқылы Долли клондады. Олар 6 жастағы саулықтан финдік дорсет тұқымынан сүт безінің эпителиалды жасушаларын алды. Жасушалар өсіндісінде немесе салынған лигатурасы бар жұмыртқа өсіруде оларды 7 күн бойы өсірді, содан кейін бластоцисталар сатысындағы эмбрионды шотланд қара бас тұқымының суррогатты шешесіне имплантациялады. Эксперимент барысында 434 аналық жасушаның тек бір ғана Долли қойы алынды, ол генетикалық ұқсас донор фин дорсет болды.

Сараланған тотипотентті жасушалардан ядроларды тасымалдау арқылы жануарларды клондау кейде өміршеңдігін төмендетуге әкеледі. Әрқашан клондалған Жануарлар тұқым қуалайтын материалдың өзгеруінен және орта жағдайларының әсерінен донордың дәл генетикалық көшірмесі болып табылмайды. Генетикалық көшірмелерде тірі масса өзгереді және әртүрлі темперамент болады.

Өткен ғасырдың ортасында жасалған геном құрылымы саласындағы ашулар тірі тіршілік геномын өзгертуге бағытталған жаңа жүйелерді құруға күшті түрткі берді. Бөтен гендік конструкцияларды геномға біріктіруге және құрастыруға мүмкіндік беретін әдістер әзірленді. Мұндай бағыттардың бірі зат алмасуды реттеу процестерімен байланысты гендік құрылымдарды жануарлардың генімен интеграциялау болып табылады, бұл жануарлардың келесі өзгеруін және бірқатар биологиялық және шаруашылық пайдалы белгілерін қамтамасыз етеді.

Өз геномында рекомбинантты (бөтен) ген бар жануарларды трансген деп, ал реципиенттің генімен интеграцияланған генді — трансген деп атауға болады. Гендерді тасымалдау арқасында трансгендік жануарлардың жаңа белгілері пайда болады, олар селекция кезінде ұрпақта бекітіледі. Осылайша трансгендік желілер жасайды.

Ауыл шаруашылығы биотехнологиясының маңызды міндеттерінің бірі — өнімділігі жақсартылған және өнімнің сапасы неғұрлым жоғары, ауруларға төзімділігі бар трансгендік жануарларды шығару, сондай — ақ бағалы биологиялық белсенді заттардың биореактор-продуценттерін құру.

Генетикалық жағынан өсу гормонының каскадының ақуыздарын кодтайтын гендер ерекше қызығушылық тудырады: тікелей өсу гормоны және өсу гормонының рилизинг-факторы.

Л. К. Эрнст мәліметтері бойынша, өсу гормонының рилизинг-факторы бар трансгендік шошқаларда шпик қалыңдығы бақылаудан 24,3% төмен болды. Артындағы липидтердің деңгейі бойынша елеулі өзгерістер байқалады. Осылайша, трансгендік шошқалардың бұл бұлшық етіндегі жалпы липидтердің құрамы 25,4% — ға, фосфолипидтер — 32,2-ға, холестерин-27,7% — ға азайған.

Осылайша, трансгендік шошқалар липогенезді тежеудің жоғары деңгейімен сипатталады,бұл шошқа шаруашылығында селекция тәжірибесі үшін күмәнсіз қызығушылық тудырады.

Мал шаруашылығындағы әртүрлі аурулар салдарынан болған шығындар айтарлықтай үлкен, сондықтан жануарлардың микроорганизмдер, вирустар, паразиттер және токсиндер тудыратын ауруларға төзімділігі бойынша селекциясы аса маңызды мәнге ие болады. Сүт безі тіндеріндегі лактоферин ақуызын арттыру есебінен маститке резистентті трансгендік жануарларды алуға бағытталған зерттеулер жүргізілуде.

Трансгендік жануарларды ағзаның жасушаларына жаңа ақуыз синтезін тудыратын гендерді қосу есебінен биологиялық белсенді қосылыстарды алу үшін медицинада және ветеринарияда пайдалану өте маңызды.

Биотехнология микробиология, биохимия және биофизика, генетика және цитология, биоорганикалық химия және молекулалық биология, иммунология және молекулалық генетика тоғысында пайда болды. Биотехнология әдістері келесі деңгейлерде қолданылуы мүмкін: молекулалық (геннің жекелеген бөліктерімен манипуляция), гендік, хромосомдық, плазмид деңгейі, жасушалық, тіндік, организмдік және популяциялық.

Биотехнология-әртүрлі шикізат түрлерін өнімдерге айналдыруды қоса алғанда, өндірісте тірі организмдерді, биологиялық процестер мен жүйелерді пайдалану туралы ғылым.

Қазіргі уақытта әлемде 3000-нан астам биотехнологиялық компаниялар бар. 2004 жылы әлемде 40 млрд.доллардан астам биотехнологиялық өнім өндірілді.

Биотехнологияның дамуы ғылыми зерттеулер техникасын жетілдірумен байланысты. Күрделі заманауи аспаптар нуклеин қышқылдарының құрылысын орнатуға, тұқым қуалаушылық құбылыстарында олардың мәнін ашуға және генетикалық кодты ашуға, ақуыз биосинтезінің кезеңдерін анықтауға мүмкіндік берді. Осы жетістіктерді есепке алмағанда қазіргі уақытта ғылым мен өндірістің көптеген салаларында: биологияда, медицинада, ауыл шаруашылығында адамның толыққанды қызметі жеткіліксіз.

Гендер мен белоктардың құрылысы арасындағы байланыстарды анықтау молекулалық генетика құруға әкелді. Ағзаның иммундық реакцияларының генетикалық негіздерін зерттейтін иммуногенетика қарқынды дамиды. Адамның көптеген ауруларының немесе оларға бейімділіктің генетикалық негізі анықталды. Мұндай мәліметтер медициналық генетика саласындағы мамандарға аурудың нақты себебін анықтауға және адамдарды емдеу мен алдын алу шараларын әзірлеуге көмектеседі.

Гендік инженерия генетикалық материалдың жаңа комбинацияларын мақсатты жасау мүмкіндігімен байланысты молекулалық генетиканың маңызды бөлімі болып табылады.

Гендік инженерия дербес ғылым ретінде 1972 жылы АҚШ-та пайда болды. Ол кезде американдық биолог П. Берга Станфорд университетінің зертханасында бірінші рекомбинатты (гибридті) ДНК немесе (рекДНК) алды.

Ол лямбда ДНҚ фагының фрагменттерін, ішек таяқшасын және sv40 маймыл вирусын біріктірді.

Қысқа мерзім ішінде гендік инженерия молекулалық-генетикалық әдістердің дамуына үлкен әсер етті және генетикалық аппараттың құрылысы мен қызмет етуін тану жолымен айтарлықтай ілгерілеуге мүмкіндік берді.

Гендік инженерия көмегімен ДНҚ-ның әртүрлі фрагменттерінен жаңа генетикалық материалды құрастыру мүмкін болды, оны рецептиентті организмге енгізу оның жұмыс істеуі және тұрақты тұқым қуалау үшін жағдай жасайды.

Адам геномының толық жазылуы, генетикалық кодтың әмбебаптығын анықтау, яғни барлық тірі организмдерде бір амин қышқылдарын ақуыз молекуласына қосу ДНҚ тізбегіндегі нуклеотидтердің бір тізбектерімен бірдей кодталады гендік инженерияның дамуына жаңа серпін берді.

Гендік-инженерлік әдістер ауыл шаруашылығында, әсіресе өсімдік шаруашылығында неғұрлым перспективалы болып саналады. Ауыл шаруашылығы өндірісіне биотехнологияның үлесі өсімдіктер мен жануарлар селекциясының дәстүрлі әдістерін жеңілдету және ауыл шаруашылығының тиімділігін арттыратын жаңа технологияларды әзірлеу болып табылады.

Гендік инженерия өсімдікті жаңа, соның ішінде табиғатта кездесетін тұқым қуалаушылық қасиеттерінің комбинацияларымен алуға мүмкіндік береді. Бұл өз кезегінде трансгендік өсімдіктердің табиғи ауытқуларға, зиянкестерге және түрлі ауруларға төзімділігін арттырады, олардың өнімділігін арттырады

Алайда, бірқатар ғалымдардың пікірінше, гендік-модификацияланған өсімдіктер, соның ішінде адам тамаққа пайдаланатын өсімдіктер оған елеулі қауіп төндіреді. Мұндай өнімдердің адам денсаулығына әсері әлі толық зерттелмеген.

Сонымен қатар, мұндай өсімдіктердің бақылаусыз таралуы табиғаттағы биологиялық тепе-теңдікті бұзуы мүмкін.

Гендік инженерияның арқасында табиғи жағдайда тірі организмдермен синтезделген заттың Елеулі ауқымында биотехнологиялық әдіспен өндіру мүмкін болды.

Мұндай заттарға интерферон – адам өсу гормоны, адам инсулин, пептидті гормондар, ферменттер, аминқышқылдар, витаминдер, антибиотиктер, органикалық қышқылдар және т.б. жатқызуға болады. Мысалы, өсу гормонының гені Бактерияға оның өзі шығара алатындай етіп әкеледі.

Бұл әдіс медицинада, ауыл шаруашылығында және микробиологиялық өнеркәсіпте пайдаланылатын көптеген биологиялық белсенді заттарды өндіретін бактериялардың штаммдарын жасауға мүмкіндік береді.

Атап айтқанда, осындай технология бойынша емдік қолдану үшін адам инсулин (хумулин) алынды.

Гендік инженерия көмегімен шектелмеген мөлшерде генетикалық ауруларды емдеу үшін қажетті гормондар мен адамның басқа да ақуыздары өндірілуі мүмкін.

Гендік инженерия негізінде «ДНК индустриясы» деп аталатын фармацевтикалық өнеркәсіптің тұтас саласы — биотехнологияның перспективалық бағыты пайда болды.

Бұдан басқа, эксперимент процесінде алынатын көптеген мутанттардың негізінде орта факторларының генетикалық белсенділігін анықтау үшін тиімділігі жоғары тест-жүйелер құрылды. Атап айтқанда, канцерогенді қосылыстарды анықтау үшін әдістемелер әзірленді.