Генетическая рекомбинация - образование измененной хромосомы вследствие или нормального биологического обмена генов, или объединение генов, полученных из различных источников, способных после этого проявлять
свои биологические функции: участвовать в процессах репликации, транскрипции, трансляции. При генетической рекомбинации новая молекула ДНК образуется путем разрыва и объединения цепей ДНК. В природе есть различные формы переноса, обмена и изменения наследственной информации, которые служат источником образования организмов с новыми свойствами.
Большое научное и прикладное значение имеет возможность экспериментального управления переносом, обменом и изменением генетического материала.
В последние годы особое внимание уделяется генетически подвижным элементам, которые получили название «прыгающих» генов, то есть таким участкам ДНК, которые могут смещаться из одних частей генома в другие. При этом они либо оставляют хромосому (теряются), или вновь встраиваются в ее структуру или в другую хромосому. Эти мигрирующие элементы участвуют в регуляции действия генов и индуцировании хромосомных перестроек. К ним относятся IS-элементы - инсерционные сегменты (от англ. Insertion sequences), которые состоят из 800-и 500 нуклеотидных последовательностей, и транспозоны (от англ. Transpose - перемещать)-сложные мигрирующие элементы, содержащие 3000-25000 нуклеотидных пар, часто с IS-элементами. Способность мигрирующих элементов в количестве от небольших участков и в 5000-10000 нуклеотидных пар встраиваться в различные участки ДНК с участием особой ферментной системы, которая узнает и пришивает транспозоны на новое место, обусловлена наличием на обоих их концах прямых или обратных (инсерционные) последовательностей оснований нуклеотидов (типа АААА и ТТТТ или ААТТ и ТТАА).
Таким путем ген или набор генов может смещаться с места на место в пределах одной и той же хромосомы, из плазмиды или фага в бактериальную хромосому, или с плазмиды в фаг. Выяснены закономерности были использованы при получении гибридных (рекомбинантных) ДНК. Оказалось, что гены из разных организмов можно искусственно объединить и получить новые рекомбинантные молекулы ДНК, которые могут служить исключительно ценным инструментом в генетических исследованиях, а также широко использоваться с практической целью.
Развитие методов выделения генов, объединение их в новых сочетаниях (гибридизация молекул ДНК), введение затем в клетки хозяина и их клонирования (накопления) стало важным биохимическим достижением, которое открыло новую эру в молекулярной биологии. Перспективы использования рекомбинантных ДНК способствовали возникновению нового направления в науке - генной инженерии. Генная инженерия, или техника рекомбинантных ДНК, включает совокупность приемов, позволяющих путем экспериментальных операций in vitro перенести генетический материал из одного организма (источники генов) в другие (хозяину или реципиенту) таким образом, чтобы обеспечить наследственность этих генов в новом для них организме. Генная инженерия - это получение живых организмов с предварительно заданными наследственными признаками, с определенным обменом веществ.
Принципами генетической инженерии являются универсальные свойства генетического материала, что позволяет создавать рекомбинантные молекулы ДНК из молекул ДНК различных организмов, например, из клеток бактерий и клеток эукариот и наоборот, вводить их в живые клетки и использовать в научной и практической целью. Например, для получения высокопродуктивных штаммов бактерий, используемых в микробиологической промышленности, повышение урожайности растений путем введения азотфиксирующих генов (что обусловит уменьшение использования удобрений и улучшения состояния окружающей среды); промышленного выпуска незаменимых аминокислот, пептидов и белков, в том числе и лекарственных препаратов. В настоящее время методы генетической инженерии с успехом используют для получения бактериальных штаммов - продуцентов биологически активных соединений, в том числе,-гормонов (инсулина, гормона роста, соматостатина), противовирусного препарата интерферона и др.. Прямая пересадка генов в геном другого организма позволит исправлять наследственные дефекты. Такие результаты получены в экспериментах на животных. Это открывает перспективы радикального лечения наследственных заболеваний путем получения рекомбинантной ДНК, содержащей нормальный ген взамен поврежденного, и введение ее в геном больного. Введение в обычную безобидную бактерию генов, способных окислять углеводороды нефти, может быть использовано для очистки нефтяных разливов.
Генная инженерия используется и как способ получения стабильных бактериальных ферментов в значительных количествах.
В последние годы много внимания уделяется вопросам практического использования рекомбинантных ДНК, однако не меньшее значение имеет и то, что клонирование генов открыло новые возможности для решения ряда фундаментальных проблем молекулярной генетики. Теперь появилась возможность выделять и получать в большом количестве фактически любой ген для того, чтобы изучить его нуклео-тидни последовательности, а также последовательности мРНК и белка, которые кодируются этим геном. С развитием генетической инженерии стало возможным изучение особенностей структуры и функций генетического материала эукариот. В первую очередь это касается осознания роли различных регуляторных и сигнальных участков ДНК, таких, как промоторы, операторы и другие. Доступной стала также идентификация регуляторных механизмов, осуществляющих репрессии и депрессию специфических генов эукариотических организмов.
В методах генной инженерии используют следующие операции:
1) получение гена;
2) получение гибридной (рекомбинантной) ДНК;
3) сочетание рекомбинантной ДНК с так называемой векторной молекулой, которая способна доставлять ген в клетку хозяина и тем самым обеспечивать репликацию чужеродного гена;
4) введение полученной рекомбинантной ДНК в клетку хозяина;
5) клонирования рекомбинантной ДНК (рекомбинантных клеток);
6) отбор клеток, где размножаются (клонируются) введены чужеродные гены.