Механизмы регуляции генов и их изменение с помощью генной инженерии

Регуляция генов — это процесс, который контролирует уровень и частоту экспрессии генов, а также определяет, какие гены активируются, а какие остаются выключенными. На уровне клеток регуляция может происходить через различные механизмы, такие как транскрипция, посттранскрипционные модификации, трансляция и посттрансляционные изменения. Существуют как общие механизмы регуляции, так и специфические для отдельных клеточных типов и условий.

Основные механизмы регуляции генов:

1. Регуляция транскрипции — один из самых важных уровней контроля экспрессии генов. Этот процесс включает действия транскрипционных факторов, которые связываются с промоторными или энгансирующими регионами ДНК, активируя или подавляя транскрипцию соответствующих генов. Важными компонентами этого процесса являются ядро и хроматин, где изменение его структуры влияет на доступность ДНК для транскрипционного аппарата.

2. Эпигенетические модификации — изменения, которые не затрагивают последовательность ДНК, но могут изменять её структуру и влияние на экспрессию генов. К таким модификациям относятся метилирование ДНК и модификации гистонов. Метилирование участков ДНК (обычно в цитозине) может приводить к снижению активности генов, а модификации гистонов (например, ацетилирование, метилирование, фосфорилирование) изменяют конформацию хроматина, что также регулирует доступность генов для транскрипции.

3. Регуляция через РНК-интерференцию (RNAi) — механизм, при котором малые интерферирующие РНК (siRNA) или микроРНК (miRNA) связываются с мРНК и либо инициируют её разрушение, либо блокируют её трансляцию. Эти молекулы играют ключевую роль в посттранскрипционной регуляции, позволяя клетке контролировать уровень экспрессии генов.

4. Регуляция на уровне трансляции — этот уровень включает механизмы, которые контролируют начало, продолжительность и завершение процесса трансляции. Важными факторами в этом процессе являются различные транслирующие факторы и молекулы, такие как микроРНК, которые могут подавлять синтез белка, связавшись с мРНК.

5. Посттрансляционные модификации — изменение структуры белков после их синтеза, например, через фосфорилирование, гликозилирование или метилирование, также могут влиять на их активность и функции, что в свою очередь влияет на клеточную регуляцию.

Способы изменения экспрессии генов с помощью генной инженерии:

1. Генетическая трансформация — процесс, при котором в клетку вводится новый ген или измененная версия существующего гена, что приводит к изменению её функции. Для этого могут быть использованы вирусные векторы, методы электропорации, липофекция или микропулирование. Генетическая трансформация может быть направлена как на добавление нового гена, так и на отключение или замедление работы определённого гена.

2. CRISPR/Cas9 — одна из самых передовых технологий, которая позволяет точно и эффективно редактировать геном. Система CRISPR/Cas9 использует направляемую РНК для нацеливания на определённый участок ДНК, а Cas9 осуществляет разрыв двухцепочечной ДНК, что позволяет удалить или вставить генетический материал. Эта технология также может быть использована для активации или подавления экспрессии конкретных генов с помощью модификаций системы, например, использование доминирующих или репрессивных фрагментов Cas9.

3. Операции с вирусными векторами — использование вирусов (например, аденовирусов или ретровирусов) для доставки генетического материала в клетки. Эти вирусы могут быть модифицированы таким образом, чтобы они не вызывали заболевания, но могли эффективно доставлять генетический материал в клетку для активации или подавления целевых генов.

4. Методы молекулярного моделирования и синтеза — с использованием генной инженерии можно синтезировать молекулы, которые активируют или подавляют конкретные гены. Применение химических веществ или молекул, например, малых молекул, которые могут связываться с транскрипционными факторами или изменять активность гистонов, также позволяет регулировать генные экспрессии.

5. RNA-основанные технологии — включают в себя использование искусственно синтезированных РНК молекул, таких как siRNA или miRNA, для регулирования экспрессии генов. Эти молекулы могут подавлять или активировать определенные гены, что является эффективным способом воздействия на клеточные процессы.

6. Генная терапия — метод, при котором на основе генной инженерии изменяются гены клеток пациента для лечения генетических заболеваний. Это может включать как замену дефектного гена, так и активирование или подавление определённых путей регуляции генов, чтобы восстановить нормальную функцию клеток.

Генетическая инженерия для повышения иммунитета к вирусам

Генетическая инженерия предоставляет возможности для целенаправленного улучшения иммунного ответа человека на вирусные инфекции посредством модификации генов, участвующих в иммунной защите. Одним из ключевых направлений является редактирование генов, отвечающих за распознавание вирусных патогенов и активацию иммунных клеток, таких как Т-лимфоциты и В-лимфоциты. Использование технологий CRISPR/Cas9 и других методов генного редактирования позволяет вносить точечные изменения в гены рецепторов иммунных клеток, например, в гены, кодирующие T-клеточные рецепторы (TCR) или химерные антигенные рецепторы (CAR), что усиливает их способность распознавать и уничтожать инфицированные клетки.

Также генетическая инженерия применяется для улучшения выработки интерферонов и других противовирусных цитокинов, что повышает неспецифическую защиту организма. Введение или усиление экспрессии генов, кодирующих антивирусные белки, например, апоБЕКС (APOBEC) или тетерин (tetherin), способствует подавлению репликации вирусов на ранних этапах заражения.

Геномное редактирование может устранять или модифицировать гены, которые вирусы используют для проникновения в клетки, такие как рецепторы ACE2 (в случае SARS-CoV-2), тем самым снижая восприимчивость к инфекции. Кроме того, введение синтетических генов, кодирующих специально разработанные антитела или антивирусные пептиды, позволяет создать устойчивую пассивную защиту.

Перспективным направлением является разработка генетически модифицированных стволовых клеток иммунной системы, которые после трансплантации способны обеспечивать долгосрочную и эффективную иммунную память против широкого спектра вирусов. Таким образом, генетическая инженерия позволяет не только корректировать унаследованные дефекты иммунитета, но и создавать новые формы иммунной защиты, которые традиционные методы вакцинопрофилактики не обеспечивают.

Подходы генетической инженерии для создания устойчивых к заболеваниям растений

Генетическая инженерия предлагает различные подходы для разработки растений, устойчивых к болезням. Эти методы включают введение специфических генов, улучшение существующих механизмов защиты растений и использование технологий редактирования генома для точной модификации генетических функций.

1. Трансгенез
   Трансгенные растения получают благодаря введению чуждых генов, кодирующих белки, которые помогают бороться с патогенами. Например, вставка генов, кодирующих антимикробные пептиды, способствует усилению иммунной реакции растений на атаки бактерий и грибков. Примером является использование гена от бактерии Bacillus thuringiensis (Bt) для создания растений, устойчивых к насекомым-вредителям.

2. Природная устойчивость через гены резистентности (R-гены)
   Некоторые растения обладают встроенными генами, которые помогают им распознавать и защищаться от определённых патогенов. Генетическая инженерия позволяет вставлять такие R-гены в геном сельскохозяйственных культур, что значительно повышает их иммунитет. Примером является создание генетически модифицированных сортов картофеля, которые устойчивы к вирусу.

3. Использование молекул РНК (РНК-интерференция)
   Этот метод включает подавление экспрессии генов патогенов или ослабление активности вирусов и бактерий с помощью маломолекулярных РНК (например, small interfering RNA, siRNA). РНК-интерференция позволяет блокировать репликацию вирусов или уменьшить их способность инфицировать растения. Примером является использование РНК-интерференции для создания растений, устойчивых к вирусу табачной мозаики.

4. Редактирование генома (CRISPR/Cas9)
   Технология CRISPR/Cas9 позволяет точно редактировать геном растения, добавляя, удаляя или изменяя отдельные гены. Этот метод используется для усиления природных защитных механизмов растений, таких как активация генов, связанных с борьбой с патогенами. Например, с помощью CRISPR можно изменить гены, регулирующие синтез фитогормонов, что улучшает устойчивость растения к грибковым инфекциям.

5. Микробиом растений
   Изменение микробиома растений — это подход, основанный на модификации или подборе микробов, которые обитают на растениях и могут защищать их от болезней. В этом случае генетическая инженерия направлена на создание более устойчивых симбиотических отношений между растением и его микрофлорой, что способствует природной защите от патогенов.

6. Методы биологической защиты
   Внедрение генов, отвечающих за синтез фитонцидов и других защитных веществ, может значительно повысить устойчивость растения к заболеваниям. Эти вещества помогают растению справляться с атакой вирусов, бактерий и грибков, нейтрализуя патогены. Примером является использование генов из растений, синтезирующих алькалоиды, обладающие антисептическими свойствами.

7. Генетический анализ и селекция
   Современные методы молекулярного маркерного анализа позволяют отбирать растения с высоким уровнем устойчивости к различным заболеваниям на ранних стадиях их развития. Эти технологии также включают скрининг на наличие специфических маркеров, которые указывают на устойчивость растения к определённым патогенам, что ускоряет процесс селекции.

История развития генной инженерии

Генная инженерия как научная дисциплина берет начало в середине XX века, когда были открыты ключевые механизмы передачи и структуры наследственной информации. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик описали структуру ДНК, что стало фундаментом для понимания молекулярной биологии и генетики. В 1970-х годах произошли первые значимые прорывы в области генной инженерии: в 1972 году Герберт Бойер и Стэнли Коэн разработали метод клонирования ДНК, использующий рестриктазные ферменты и плазмиды, что позволило внедрять чужеродные гены в бактерии.

В 1973 году был опубликован первый эксперимент по рекомбинантной ДНК, когда ген, отвечающий за резистентность к антибиотикам, был вставлен в плазмиду и успешно экспрессирован в бактериях. В 1975 году состоялась первая международная конференция Асиломар, на которой были обсуждены этические и биологические риски генетических манипуляций, что заложило основы регуляции и безопасного применения генной инженерии.

В 1980-х годах технологии генетической модификации были расширены на эукариотические клетки, в частности с развитием методов трансформации растений и животных. В 1983 году была открыта полимеразная цепная реакция (ПЦР) Кэри Муллисом, которая стала незаменимым инструментом для амплификации ДНК и анализа генов. В 1987 году впервые были созданы генетически модифицированные растения, устойчивые к гербицидам.

В 1990-х годах началась эра генотерапии – попытки лечения наследственных заболеваний путем замены или коррекции дефектных генов. В 1996 году впервые была клонирована млекопитающая – овца по имени Долли, что продемонстрировало возможности манипуляций с геномом целого организма.

В 2000-х годах развитие секвенирования генома, включая завершение проекта "Геном человека" в 2003 году, позволило значительно углубить понимание генетической информации. Появление технологий направленного редактирования генома, таких как TALEN и ZFN, стало предшественником революционного метода CRISPR-Cas9, разработанного в 2012 году. CRISPR позволил с высокой точностью и относительной простотой вносить изменения в ДНК живых организмов, что открывает новые горизонты в медицине, сельском хозяйстве и биотехнологиях.

В настоящее время генная инженерия является междисциплинарной областью, включающей молекулярную биологию, биотехнологию, медицину и генетику, и продолжает активно развиваться с целью создания новых методов лечения, улучшения сельскохозяйственных культур и решения экологических задач.

Механизм действия антисмысловых олигонуклеотидов

Антисмысловые олигонуклеотиды (ASO, от англ. antisense oligonucleotides) — это короткие одноцепочечные молекулы нуклеотидов, которые взаимодействуют с мРНК целевого гена, приводя к подавлению или модификации его экспрессии. Они могут быть использованы для терапевтического вмешательства при различных генетических заболеваниях, включая муковисцидоз, спинальную мышечную атрофию и другие.

Механизм их действия основан на принципе антисмысловой стратегии, заключающейся в специфическом связывании олигонуклеотида с комплементарной цепью мРНК, что приводит к различным биологическим последствиям:

1. Интеграция с мРНК: Антисмысловой олигонуклеотид связывается с целевой мРНК, образуя комплементарную пару. В результате происходит блокировка процессов, связанных с трансляцией или стабилизацией мРНК. В частности, это может происходить двумя основными способами:

   • Гибридизация с мРНК с последующим ее деградацией.

   • Подавление сплайсинга: изменения в процессе сплайсинга мРНК могут привести к образованию дефектных белков или их отсутствию, что важно для терапии некоторых заболеваний.

2. РНК-интерференция: Антисмысловые олигонуклеотиды могут активировать систему RNAi (RNA interference), что приводит к разрушению мРНК с участием белков, таких как Dicer и Ago2. Это приводит к уменьшению экспрессии гена, кодирующего патологический белок.

3. Снижение стабильности мРНК: Взаимодействие ASO с мРНК также может инициировать ее деградацию через систему экзонуклеаз или других клеточных механизмов, таких как нуклеаза RNase H, которая разрывает фосфодиэфирные связи в цепи мРНК, приводя к разрушению целевой молекулы.

4. Модификация сплайсинга: В некоторых случаях ASO используются для изменения нормального сплайсинга мРНК, что может привести к включению или исключению определенных экзонов и, соответственно, к изменению структуры белка. Это может быть полезно при заболеваниях, связанных с ошибками сплайсинга, таких как спинальная мышечная атрофия (SMA).

Антисмысловые олигонуклеотиды обладают высокой специфичностью к своей мишени, что минимизирует побочные эффекты, однако они требуют усовершенствованных методов доставки в клетки, поскольку их эффективность ограничена клеточной проницаемостью. Для улучшения доставки и стабилизации ASO разрабатываются различные технологии, такие как модификации химической структуры олигонуклеотидов (например, введение фосфородиэфирных или сахарных модификаций).

Возможности генетической инженерии в области экологии

Генетическая инженерия открывает широкий спектр возможностей для решения экологических проблем и улучшения состояния окружающей среды. В первую очередь, она позволяет создавать генетически модифицированные организмы (ГМО), способные эффективно участвовать в биоремедиации — процессе очистки загрязненных территорий. Например, микроорганизмы с изменённым геномом могут разрушать токсичные соединения, такие как нефтепродукты, тяжелые металлы, пестициды, что значительно ускоряет восстановление экосистем.

В области сохранения биоразнообразия генетическая инженерия позволяет разрабатывать методы генного редактирования для защиты видов, находящихся под угрозой исчезновения. Это включает в себя коррекцию генетических дефектов, повышение устойчивости к заболеваниям и адаптацию к изменяющимся климатическим условиям.

Генетически модифицированные растения могут играть ключевую роль в снижении воздействия сельского хозяйства на экологию. Создание культур с повышенной устойчивостью к вредителям и болезням уменьшает потребность в химических пестицидах и удобрениях, что снижает загрязнение почв и водоемов. Также разрабатываются растения, способные к более эффективному поглощению углекислого газа, что способствует борьбе с глобальным изменением климата.

Кроме того, генетическая инженерия способствует развитию устойчивых биотоплив и биоразлагаемых материалов, что снижает зависимость от ископаемых ресурсов и уменьшает количество отходов, загрязняющих окружающую среду.

Таким образом, применение генетической инженерии в экологии направлено на восстановление и сохранение природных систем, снижение антропогенного воздействия и адаптацию к экологическим вызовам.

Преимущества генной инженерии в производстве биопродуктов

Генная инженерия позволяет создавать биопродукты с улучшенными характеристиками, такими как повышенная эффективность, стабильность и специфичность. Внедрение целевых генов в микроорганизмы или клетки растений и животных обеспечивает производство белков, ферментов, витаминов, антибиотиков и других ценных веществ в промышленных масштабах с высокой чистотой и однородностью. Это снижает затраты на сырье и упрощает технологические процессы, сокращая время получения конечного продукта.

Использование генной инженерии позволяет разрабатывать новые биопродукты, которые невозможно получить традиционными методами, например, рекомбинантные гормоны (инсулин, гормон роста), вакцины на основе белковых антигенов и биотопливо с улучшенными свойствами. Генная модификация также способствует повышению устойчивости организмов к стрессам, патогенам и неблагоприятным условиям, что увеличивает выход и качество продукции.

Кроме того, генная инженерия снижает экологическую нагрузку за счет уменьшения использования химических реагентов и сокращения отходов производства. Технология позволяет автоматизировать и стандартизировать производство, обеспечивая высокий уровень контроля качества и безопасность конечных биопродуктов.

Методы визуализации экспрессии генов

Визуализация экспрессии генов представляет собой важный этап в молекулярной биологии, позволяющий исследовать уровень и локализацию экспрессии определённых генов в клетках и тканях. Различные методы визуализации позволяют получать подробную информацию о пространственном распределении и количественной характеристике экспрессии генов в различных условиях. Рассмотрим основные методы визуализации экспрессии генов.

1. Гибридизация in situ (ISH)
   Гибридизация in situ является одним из наиболее часто используемых методов для визуализации экспрессии генов на уровне ткани. Этот метод основан на использовании специфичных молекул РНК-проб, которые комплементарны транскриптам интересующего гена. Проба, помеченная флуоресцентным или хромогенным маркером, позволяет визуализировать участки ткани, где происходит транскрипция целевого гена.

   • Методология: Проба РНК или ДНК, меченная маркером, наносится на срезы ткани, и после выполнения этапов денатурации и гибридизации определяется место расположения экспрессируемого гена.

   • Преимущества: Возможность обнаружения экспрессии на клеточном уровне в контексте ткани.

   • Ограничения: Техническая сложность и время выполнения, необходимость работы с высококачественными образцами ткани.

2. Полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией (RT-PCR) в реальном времени
   RT-PCR в реальном времени позволяет не только оценить количество РНК в образце, но и количественно определить уровень экспрессии гена. Этот метод позволяет проводить мониторинг экспрессии генов с высокой чувствительностью и специфичностью, используя флуоресцентные маркеры, которые позволяют отслеживать количество продукции амплифицированной ДНК в реальном времени.

   • Методология: Образец РНК подвергается обратной транскрипции с образованием кДНК, который затем амплифицируется с помощью PCR с использованием специфичных праймеров для целевого гена.

   • Преимущества: Высокая чувствительность и точность количественного анализа.

   • Ограничения: Требуется точная настройка параметров реакции для минимизации ошибок.

3. Иммунофлуоресценция
   Метод иммунофлуоресценции используется для визуализации белков, кодируемых экспрессируемыми генами. Этот метод основан на использовании антител, которые специфически связываются с целевыми белками. Белки могут быть помечены флуоресцентными метками, что позволяет наблюдать их локализацию с помощью флуоресцентного микроскопа.

   • Методология: В ткани или клетках фиксируется целевой белок с использованием антител, меченных флуоресцентными красителями. Полученные изображения позволяют исследовать пространственное распределение белков.

   • Преимущества: Позволяет анализировать локализацию белков в клетках или тканях.

   • Ограничения: Требуется специфичность антител и точная настройка условий флуоресценции.

4. РНК-секвенирование (RNA-seq)
   RNA-seq представляет собой высокоэффективный метод для анализа экспрессии генов на уровне всего транскриптома. Этот метод позволяет измерить уровни экспрессии всех генов в образце с высокой точностью, а также выявлять альтернативные сплайсинг-формы и редкие транскрипты. В отличие от более традиционных методов, RNA-seq не требует предварительных гипотез о присутствии экспрессируемых генов.

   • Методология: РНК из образца подвергается секвенированию, после чего анализируются результаты с использованием биоинформатических инструментов для определения уровней экспрессии и профилей транскриптов.

   • Преимущества: Всеобъемлющая оценка экспрессии всех генов.

   • Ограничения: Высокая стоимость, сложность анализа данных.

5. Микрочипы (DNA microarrays)
   Микрочипы используются для одновременного анализа экспрессии тысяч генов. Они содержат маленькие ДНК-споты, которые комплементарны РНК определённых генов. При связывании РНК с этими спотами можно количественно оценить уровень экспрессии множества генов одновременно.

   • Методология: РНК из образца помечается флуоресцентным красителем и наносится на микрочип, после чего сканируется для выявления уровней экспрессии.

   • Преимущества: Высокая пропускная способность для анализа большого числа генов.

   • Ограничения: Ограничение по набору анализируемых генов, высокая стоимость.

6. In vivo визуализация с использованием люциферазы
   Этот метод позволяет изучать экспрессию генов in vivo, используя люциферазный анализ. Гены интереса фузионны с кодирующими люциферазу, что позволяет наблюдать за экспрессией в живых организмах с помощью флуоресцентного или люминесцентного мониторинга.

   • Методология: Гены, интересующие исследователя, сливаются с геном люциферазы, после чего проводится инъекция в модельный организм. Наблюдение за светом, испускаемым люциферазой, позволяет измерять активность гена.

   • Преимущества: Визуализация экспрессии генов в реальном времени в живых организмах.

   • Ограничения: Высокие требования к системам детекции и сложность интерпретации данных.

7. Генетическая маркировка с помощью GFP (зеленый флуоресцентный белок)
   Этот метод включает фузию гена с геном, кодирующим флуоресцентный белок, например, GFP. Выражение целевого гена можно визуализировать с помощью флуоресцентной микроскопии, что позволяет точно определить местоположение и уровень экспрессии в клетках.

   • Методология: Ген интереса сливается с геном GFP, и затем проводится анализ с помощью флуоресцентного микроскопа.

   • Преимущества: Простой метод с высокой чувствительностью и возможностью наблюдения за экспрессией в реальном времени.

   • Ограничения: Не подходит для количественного анализа экспрессии.

Методы визуализации экспрессии генов являются основой для многочисленных биомедицинских исследований, позволяя исследовать как базовые биологические процессы, так и более сложные вопросы, связанные с заболеваниями, развитием и терапевтическими вмешательствами.

Проблемы при создании генетически модифицированных микробов для промышленных целей

Создание генетически модифицированных (ГМ) микробов для промышленных целей связано с несколькими ключевыми проблемами, которые необходимо учитывать на разных этапах разработки.

1. Генетическая нестабильность
   Генетически модифицированные микроорганизмы могут проявлять генетическую нестабильность, что приводит к нежелательным изменениям в их геноме. Это может быть результатом неполного интегрирования гена или потерей его экспрессии в ходе поколений. Нестабильность может снизить эффективность микробов в промышленных процессах и вызвать проблемы с воспроизводимостью.

2. Биосекьюрити и биоэтика
   Одной из главных проблем является контроль над безопасностью ГМ микробов. Необходимо предотвращать их нежелательное распространение в окружающую среду, что может вызвать непредсказуемые экосистемные последствия. Вопросы биоэтики также остаются актуальными, особенно в отношении возможности создания организмов с измененными свойствами, которые могут повлиять на здоровье человека или животных.

3. Контроль над экспрессией гена
   Для эффективного промышленного использования необходимо обеспечить стабильную и предсказуемую экспрессию вставленного гена. Неконтролируемая или изменяющаяся экспрессия может привести к снижению качества конечного продукта, а также уменьшить выход целевого вещества.

4. Проблемы с масштабированием
   Перевод лабораторных разработок в промышленный масштаб сопряжен с трудностями, связанными с поддержанием стабильных условий роста микробов. На производственных линиях сложно воспроизвести идеальные условия, что может приводить к снижению эффективности процесса и увеличению затрат.

5. Эффективность и оптимизация метаболических путей
   Оптимизация метаболических путей для увеличения продуктивности является сложной задачей. Модификация микроба может вмешиваться в его естественные метаболические процессы, что требует внимательного анализа возможных побочных реакций и взаимосвязей между различными путями. Это также включает оценку влияния изменений на жизнеспособность микроорганизма в целом.

6. Токсичность и продукция побочных веществ
   Некоторые генетически модифицированные микроорганизмы могут начать синтезировать токсичные или нежелательные побочные продукты, что может затруднить коммерциализацию и создание безопасных условий производства. Это также может повысить требования к очистке и переработке конечного продукта.

7. Регулирование и законодательство
   Создание и внедрение ГМ микробов в промышленность требует соблюдения строгих норм и стандартов, регулирующих использование таких организмов. Разные страны имеют различные подходы к регуляции, что может затруднить международную коммерциализацию и привести к значительным затратам на сертификацию и безопасность.

8. Экологические риски
   Риски, связанные с неконтролируемым распространением ГМ микроорганизмов в природе, остаются одной из самых обсуждаемых проблем. Микробы, обладающие модификациями, которые могут изменить экосистемы или взаимодействовать с другими видами, могут вызвать долгосрочные экологические последствия, включая утрату биоразнообразия.

9. Этичность использования биотехнологий
   Технологии генной модификации вызывают вопросы у общественности, особенно в плане их воздействия на экосистемы и возможных этических дилемм. Возникает необходимость в разъяснении общественности и принятии общественных стандартов по использованию ГМ микроорганизмов в промышленных процессах.

Сравнение методов генной инженерии в разработке биотоплива и биоразлагаемых материалов

Генная инженерия в разработке биотоплива и биоразлагаемых материалов использует сходные биотехнологические подходы, но ориентирована на разные цели и реализует различные стратегии оптимизации метаболизма микроорганизмов или растений.

В области биотоплива основная задача — повышение эффективности синтеза и выхода энергетически значимых соединений (этанол, биодизель, биогаз). Методы включают генетическую модификацию микробных штаммов (например, дрожжей, бактерий) для увеличения скорости ферментации, расширения субстратного спектра и снижения продукции побочных токсичных веществ. Часто применяют оптимизацию путей метаболизма для повышения выхода целевых продуктов, например, внедрение или усиление экспрессии генов, отвечающих за ферментацию целлюлозы и других сложных углеводов. Дополнительно используется редактирование генов для повышения устойчивости организмов к ингибиторам и экстремальным условиям производства.

В разработке биоразлагаемых материалов генетическая инженерия направлена на синтез биополимеров (например, полигидроксиалканоаты — ПГА) с улучшенными физико-химическими свойствами и контролируемой скоростью биодеградации. Генетическая модификация включает внедрение или усиление экспрессии ключевых ферментов, участвующих в биосинтезе полимерных молекул, а также регуляторов их накопления внутри клеток. В растениях акцент делается на изменение состава клеточных стенок, повышение содержания биополимеров или внедрение новых путей синтеза. В микроорганизмах целевыми являются пути синтеза и депонирования полимеров, регулирующие их молекулярную массу и свойства. Методы включают также редактирование регуляторных элементов для повышения урожайности биополимеров и снижение затрат на их выделение.

Основное отличие — в биотопливе генная инженерия ориентирована на максимизацию выхода низкомолекулярных энергетически ценных молекул, тогда как в биоразлагаемых материалах — на синтез и структурное совершенствование высокомолекулярных биополимеров. При этом в биотопливе важна скорость и устойчивость метаболизма, в биоразлагаемых материалах — контроль качества, прочности и биосовместимости продукции. Технически оба направления используют схожие инструменты: CRISPR/Cas-системы, генные конструкторы, промоторы с разной активностью, системы экспрессии и регуляции, но с разным приоритетом целей и конечных продуктов.