Genetik muhandislik (yoki gen muhandisligi) — rekombinant RNK va DNKni olish, genlarni organizmdan (hujayralardan) ajratib olish, genlar ustida amallar bajarish, ularni boshqa organizmlarga kiritish va DNKdan tanlangan genlarni olib tashlagach, sun’iy organizmlarni yetishtirishga qaratilgan usullar, metodlar va texnologiyalar majmuasidir. Genetik muhandislik keng ma’noda mustaqil fan hisoblanmaydi, biroq biotexnologiyaning vositasidir. U quyidagi biologiya fanlari usullaridan foydalanadi: molekulyar va hujayra biologiyasi, genetika, mikrobiologiya, virusologiya.

Gen muhandisligi o‘zgartirilayotgan yoki genetik modifikatsiyalangan organizmda kerakli xususiyatlarni hosil qilishga xizmat qiladi. An’anaviy seleksiya jarayonida genotip faqat bilvosita o‘zgartirilsa, gen muhandisligi molekulyar genetik apparatga bevosita ta’sir ko‘rsatish va molekulyar klonlash usullarini qo‘llash imkonini beradi. Gen muhandisligining qo‘llanishiga donli ekinlarning genetik modifikatsiyalangan yangi navlarini yaratish, inson insulinini ishlab chiqarish uchun genetik modifikatsiyalangan bakteriyalardan foydalanish, eritropoetinni hujayra kulturalarida ishlab chiqarish hamda ilmiy tadqiqotlar uchun tajriba sichqonlarining yangi zotlarini yaratish misol bo‘ladi.

Bemorlarni davolashda qayta tuzilgan DNKga ega bakteriyalardan foydalanish bo‘yicha dastlabki tajribalar o‘tkazilmoqda.

Mikrobiologik va biosintez sanoatining asosini bakteriya hujayrasi tashkil etadi. Sanoatda ishlab chiqarish uchun kerakli hujayralar muayyan belgilariga qarab tanlanadi. Ularning eng muhim xususiyati — ma’lum bir birikmani imkon qadar katta miqdorda ishlab chiqarish, ya’ni sintez qilish qobiliyatidir. Bunday birikma aminokislota, antibiotik, steroid gormon yoki organik kislota bo‘lishi mumkin. Ba’zan, masalan, neft yoki oqova suvlarni «oziq» sifatida o‘zlashtirib, ularni biomassa yoxud yemga qo‘shishga yaroqli oqsilga aylantira oladigan mikroorganizm kerak bo‘ladi. Ayrim hollarda esa yuqori haroratda yoki boshqa mikroorganizm turlari uchun mutlaqo halokatli moddalar mavjud bo‘lgan muhitda ham ko‘paya oladigan organizmlar zarur bo‘ladi.

Bunday sanoat shtammlarini olish juda muhim vazifa. Ularni o‘zgartirish va saralash uchun hujayraga faol ta’sir ko‘rsatishning ko‘plab usullari — kuchli zaharli moddalar bilan ishlov berishdan tortib radioaktiv nurlantirishgacha — ishlab chiqilgan. Bu usullarning maqsadi bir xil: hujayraning irsiy, ya’ni genetik apparatini o‘zgartirish. Natijada ko‘plab mutant mikroblar olinadi, olimlar esa ularning yuzlab va minglab namunalari orasidan muayyan maqsadga eng moslarini tanlashga intiladi. Kimyoviy yoki radiatsion mutagenez usullarining ishlab chiqilishi biologiyaning ulkan yutug‘i bo‘lib, ular zamonaviy biotexnologiyada keng qo‘llaniladi.

Biroq ularning imkoniyatlari mikroorganizmlarning o‘z tabiati bilan cheklanadi. Ular o‘simliklarda, ayniqsa, dorivor va efir moyli o‘simliklarda to‘planadigan bir qator qimmatli moddalarni sintez qila olmaydi. Shuningdek, hayvonlar va inson hayoti uchun juda muhim moddalar — ayrim fermentlar, peptid gormonlar, immun oqsillar, interferonlar va hayvonlar hamda inson organizmida sintezlanadigan ko‘plab sodda tuzilishli birikmalarni ham ishlab chiqara olmaydi. Albatta, mikroorganizmlarning imkoniyatlari hali to‘liq o‘rganib bo‘lingan emas. Mikroorganizmlarning ulkan xilma-xilligidan fan, ayniqsa, sanoat hozircha juda oz qisminigina foydalangan. Mikroorganizmlar seleksiyasi uchun, masalan, kislorodsiz sharoitda yashay oladigan anaeroblar, o‘simliklar singari yorug‘lik energiyasidan foydalanadigan fototroflar, xemoavtotroflar, yaqinda aniqlanishicha, taxminan 110 °C haroratda ham yashay oladigan termofil bakteriyalar va boshqa mikroorganizmlar katta qiziqish uyg‘otadi.

Shunga qaramay, «tabiiy material» imkoniyatlari cheklanganligi yaqqol ko‘rinadi. Olimlar bu cheklovlarni o‘simlik va hayvon hujayralari hamda to‘qimalari kulturalari yordamida yengishga uringan va hozir ham urinmoqda. Bu biotexnologiyada qo‘llaniladigan juda muhim va istiqbolli yo‘nalishdir. So‘nggi bir necha o‘n yillikda olimlar o‘simlik yoki hayvon to‘qimalaridagi alohida hujayralarni, xuddi bakteriya hujayralari kabi, organizmdan tashqarida o‘stirish va ko‘paytirish usullarini ishlab chiqdilar. Bu muhim yutuq bo‘ldi: olingan hujayra kulturalaridan tajribalar o‘tkazish va bakteriya kulturalari yordamida ishlab chiqarib bo‘lmaydigan ayrim moddalarni sanoat miqyosida olish uchun foydalanilmoqda.

Tadqiqotlarning yana bir yo‘nalishi — oqsillarni kodlash va organizm faoliyati uchun zarur bo‘lmagan genlarni DNKdan olib tashlash hamda shu DNK asosida genlar to‘plami «qisqartirilgan» sun’iy organizmlarni yaratishdir. Bu o‘zgartirilayotgan organizmlarning viruslarga chidamliligini keskin oshirish imkonini beradi.

XX asrning ikkinchi yarmida gen muhandisligiga asos bo‘lgan kashfiyotlar yuz berdi. Genlarda «yozilgan» biologik axborotni «o‘qish» bo‘yicha ko‘p yillik izlanishlar muvaffaqiyatli yakunlandi. Bu tadqiqotlarning boshlanishi ingliz olimi Frederik Senger va amerikalik olim Uolter Gilbert (kimyo bo‘yicha Nobel mukofoti, 1980-yil) nomlari bilan bog‘liq. Ma’lumki, genlarda organizmdagi RNK va oqsil molekulalarini, jumladan, fermentlarni sintez qilish uchun zarur ko‘rsatmalar saqlanadi. Hujayra o‘zi uchun odatiy bo‘lmagan yangi moddalarni sintez qilishi uchun avvalo tegishli fermentlar majmuasini ishlab chiqarishi kerak. Buning uchun esa hujayradagi genlarni maqsadli o‘zgartirish yoki unga ilgari mavjud bo‘lmagan yangi genlarni kiritish zarur. Tirik hujayralardagi genlarning o‘zgarishi — mutatsiyalar deb ataladi. Ular, masalan, mutagenlar — kimyoviy zaharlar yoki nurlanish ta’sirida yuz beradi. Ammo bunday o‘zgarishlarni nazorat qilish yoki kerakli yo‘nalishga burish mumkin emas. Shu bois olimlar hujayraga inson uchun zarur bo‘lgan yangi, aniq belgilangan genlarni kiritish usullarini yaratishga e’tibor qaratdilar.

Barcha genetik muhandislik usullari gen muhandisligi vazifasini hal qilishning quyidagi bosqichlaridan birini amalga oshirish uchun qo‘llaniladi:

1. Ajratib olingan genni hosil qilish.
2. Genni vektorga kiritib, organizmga ko‘chirishga tayyorlash.
3. Gen joylashtirilgan vektorni o‘zgartiriladigan organizmga ko‘chirish.
4. Organizm hujayralarini o‘zgartirish.
5. Genetik modifikatsiyalangan organizmlarni (GMO) saralash va muvaffaqiyatli o‘zgartirilmaganlarini chiqarib tashlash.

Hozirgi vaqtda genlarni sintez qilish jarayoni juda yaxshi ishlab chiqilgan va katta darajada avtomatlashtirilgan. Turli nukleotid ketma-ketliklarini sintez qilish dasturlari xotirasiga kiritilgan kompyuterlar bilan jihozlangan maxsus qurilmalar mavjud. Bunday qurilma uzunligi 100—120 azotli asosgacha bo‘lgan DNK bo‘laklarini (oligonukleotidlarni) sintez qiladi. DNKni, jumladan, mutant DNKni sintez qilishda polimeraza zanjir reaksiyasidan foydalanish usuli keng tarqalgan. Bu jarayonda issiqqa chidamli ferment — DNK-polimeraza matritsa asosida DNK sintezi uchun qo‘llaniladi; boshlang‘ich material sifatida sun’iy sintezlangan nuklein kislota bo‘laklari — oligonukleotidlar ishlatiladi. Teskari transkriptaza fermenti bunday boshlang‘ich bo‘laklar (praymerlar) yordamida hujayralardan ajratib olingan RNK matritsasi asosida DNK sintez qilish imkonini beradi. Shu usulda sintez qilingan DNK komplementar DNK (RNKga mos DNK) yoki kDNK deb ataladi. Ajratib olingan, «kimyoviy toza» genni fag kutubxonasidan ham olish mumkin. Fag kutubxonasi deb bakteriofag preparatiga aytiladi; uning genomiga genom yoki kDNKning tasodifiy bo‘laklari kiritilgan bo‘lib, ular fagning butun DNKsi bilan birga ko‘payadi.

Genni vektorga joylashtirish uchun fermentlar — restriktazalar va ligazalar ishlatiladi. Ular ham gen muhandisligining foydali vositalaridir. Restriktazalar yordamida gen va vektorni bo‘laklarga kesish mumkin. Ligazalar esa bu bo‘laklarni «yopishtirish», turli kombinatsiyalarda birlashtirish, yangi gen yaratish yoki uni vektorga joylashtirish imkonini beradi. Restriktazalarni kashf etganliklari uchun Verner Arber, Daniel Natans va Hamilton Smit ham Nobel mukofotiga (1978-yil) sazovor bo‘lgan.

Bakteriyalarga gen kiritish usuli Frederik Griffit bakterial transformatsiya hodisasini kashf qilganidan keyin ishlab chiqildi. Bu hodisaning asosida bakteriyalarda xromosomadan tashqaridagi DNKning kichik bo‘laklari — plazmidlar almashinuvi bilan kechadigan sodda jinsiy jarayon yotadi. Plazmidlarga asoslangan texnologiyalar sun’iy genlarni bakteriya hujayralariga kiritish uchun asos bo‘ldi.

Tayyor genni o‘simlik va hayvon hujayralarining irsiy apparatiga kiritish katta qiyinchiliklar tug‘dirdi. Biroq tabiatda begona DNK (virus yoki bakteriofag DNKsi) hujayraning genetik apparatiga qo‘shilib, uning modda almashinuvi mexanizmlaridan foydalangan holda «o‘z» oqsilini sintez qila boshlaydigan holatlar uchraydi. Olimlar begona DNKning hujayraga kirish xususiyatlarini o‘rgandilar va undan genetik materialni hujayraga kiritish tamoyili sifatida foydalandilar. Bu jarayon transfeksiya.

Bir hujayrali organizmlar yoki ko‘p hujayrali organizmlarning hujayra kulturalari o‘zgartirilsa, shu bosqichda klonlash, ya’ni o‘zgartirilgan organizmlar va ularning avlodlarini (klonlarini) tanlash boshlanadi. Ko‘p hujayrali organizmlarni olish maqsad qilinganda esa genotipi o‘zgartirilgan hujayralar o‘simliklarni vegetativ ko‘paytirishda ishlatiladi yoki hayvonlar bilan ishlanganda surrogat onaning blastotsistasiga kiritiladi. Natijada genotipi o‘zgargan yoki o‘zgarmagan bolalar tug‘iladi; ular orasidan faqat kutilgan o‘zgarishlarni namoyon etganlari tanlab olinib, o‘zaro chatishtiriladi.

Gen nokauti. Muayyan genning vazifasini o‘rganish uchun gen nokauti (ingl. gene knockout) usulidan foydalanish mumkin. Bu bir yoki bir nechta genni olib tashlash usuli bo‘lib, bunday mutatsiya oqibatlarini tekshirish imkonini beradi. Nokaut uchun ayni genning o‘zi yoki uning bo‘lagi shunday o‘zgartirib sintez qilinadiki, natijada gen mahsuloti o‘z funksiyasini yo‘qotadi. Uni amalga oshirishning asosiy usullari: rux barmog‘i, morfolino va TALEN. Nokaut sichqonlarni olish uchun hosil qilingan gen-muhandislik konstruksiyasi embrional o‘zak hujayralarga kiritiladi. U yerda konstruksiya somatik rekombinatsiyaga uchrab, oddiy genning o‘rnini egallaydi; o‘zgartirilgan hujayralar esa surrogat onaning blastotsistasiga joylashtiriladi. Drozofila meva pashshasida katta populyatsiyada mutatsiyalar yuzaga keltirilib, so‘ng kerakli mutatsiyaga ega avlodlar izlanadi. O‘simliklar va mikroorganizmlarda ham gen nokauti shunga o‘xshash usul bilan olinadi.

Sun’iy gen ekspressiyasi. Nokaut usulining mantiqiy davomi — sun’iy gen ekspressiyasi, ya’ni organizmda ilgari bo‘lmagan genni unga qo‘shishdir. Gen muhandisligining bu usulidan ham genlarning vazifasini o‘rganishda foydalanish mumkin. Qo‘shimcha genlarni kiritish jarayoni mohiyatan nokautdagiga o‘xshaydi, biroq mavjud genlar almashtirilmaydi va shikastlanmaydi.

Gen mahsulotlarini ko‘rinadigan qilish. Gen mahsulotining hujayradagi joylashuvini o‘rganish zarur bo‘lganda qo‘llaniladi. Belgilash usullaridan biri odatdagi genni marker element, masalan, yashil fluoressent oqsil geni (GFP) bilan birlashtirilgan gen bilan almashtirishdir. Ko‘k yorug‘lik ta’sirida fluoressensiya beradigan ushbu oqsil genetik o‘zgartirish mahsulotini ko‘rsatish uchun ishlatiladi. Bu usul qulay va foydali bo‘lsa-da, uning nojo‘ya oqibati o‘rganilayotgan oqsil funksiyasining qisman yoki butunlay yo‘qolishi bo‘lishi mumkin. Murakkabroq, ammo unchalik qulay bo‘lmagan boshqa usulda o‘rganilayotgan oqsilga maxsus antitanalar yordamida aniqlanishi mumkin bo‘lgan kichik oligopeptidlar qo‘shiladi.

Gen ekspressiyasi mexanizmini o‘rganish. Bunday tajribalar gen ekspressiyasi qanday sharoitlarda kechishini o‘rganishga qaratilgan. Ekspressiya xususiyatlari, avvalo, DNKning kodlovchi qismidan oldin joylashgan kichik bo‘lagiga bog‘liq. Bu bo‘lak promotor deb ataladi va transkripsiya omillarini bog‘lash vazifasini bajaradi. Bu qism organizmga kiritiladi va uning ortiga o‘z genining o‘rniga marker gen, masalan, GFP geni yoki osongina aniqlanadigan reaksiyani katalizlovchi ferment geni joylashtiriladi. Bunday tajribalar promotorning qaysi to‘qimada va qaysi vaqtda faoliyat yuritishini ko‘rsatish bilan birga, unga DNK bo‘laklarini olib tashlash yoki qo‘shish orqali promotor tuzilishini o‘rganish, shuningdek, uning funksiyasini sun’iy ravishda kuchaytirish imkonini beradi.

Insonda gen muhandisligidan irsiy kasalliklarni davolash uchun foydalanish mumkin bo‘lar edi. Biroq texnik jihatdan bemorning o‘zini davolash bilan uning avlodlari genomini o‘zgartirish o‘rtasida jiddiy farq bor.

Voyaga yetgan inson genomini o‘zgartirish gen muhandisligi yordamida hayvonlarning yangi zotlarini yaratishdan murakkabroq. Chunki bu holda faqat bitta urug‘langan tuxum hujayraning emas, allaqachon shakllangan organizmdagi ko‘plab hujayralarning genomini o‘zgartirish kerak bo‘ladi. Buning uchun virus zarrachalaridan vektor sifatida foydalanish taklif etiladi. Virus zarrachalari voyaga yetgan inson hujayralarining katta qismiga kirib, ularga o‘z irsiy axborotini joylashtira oladi; virus zarrachalarining organizmda nazorat ostida ko‘payishi ham mumkin. Shu bilan birga, nojo‘ya ta’sirlarni kamaytirish maqsadida olimlar gen muhandisligi bilan yaratilgan DNKni jinsiy a’zolar hujayralariga kiritmaslikka, shu orqali bemorning bo‘lajak avlodlariga ta’sir ko‘rsatmaslikka intilmoqda. Ushbu texnologiya ommaviy axborot vositalarida jiddiy tanqid qilinishini ham ta’kidlash kerak: gen muhandisligi yordamida yaratilgan viruslarning ishlab chiqilishi ko‘pchilik tomonidan butun insoniyat uchun xavf sifatida qabul qilinadi.

Kelajakda gen terapiyasi yordamida inson genomini o‘zgartirib, qarishni kechiktirish, irsiy kasalliklar va patologiyalarni davolash mumkin bo‘lishi ehtimol. Hozirda inson genomini samarali o‘zgartirish usullari ishlab chiqilmoqda va primatlarda sinovdan o‘tkazilmoqda. Maymunlar gen muhandisligi uzoq vaqt jiddiy qiyinchiliklarga duch kelgan, biroq 2009-yilda tajribalar muvaffaqiyat bilan yakunlandi: Nature jurnalida gen muhandisligi asosida yaratilgan virus vektorlari yordamida voyaga yetgan erkak maymunni daltonizmdan davolash muvaffaqiyatli bo‘lgani haqida maqola chop etildi. O‘sha yili genetik modifikatsiyalangan (o‘zgartirilgan tuxum hujayradan yetishtirilgan) ilk primat ham avlod berdi — oddiy igrunka (Callithrix jacchus).

Hozircha cheklangan miqyosda bo‘lsa-da, gen muhandisligi ayrim turdagi bepushtlikka uchragan ayollarga homilador bo‘lish imkonini berish uchun allaqachon qo‘llanilmoqda. Bunda sog‘lom ayolning tuxum hujayralaridan foydalaniladi. Natijada bola genotipni bir ota va ikki onadan meros qilib oladi.

Biroq inson genomiga bundan ham katta o‘zgartirishlar kiritish imkoniyati bir qator jiddiy axloqiy muammolarni keltirib chiqaradi. 2016-yilda AQSHda bir guruh olim bemorning o‘z immun hujayralarini genetik o‘zgartirish orqali saratonni davolash usulini klinik sinovdan o‘tkazishga ruxsat oldi. O‘zgartirishda qo‘llaniladigan texnologiya — CRISPR/Cas9.

2018-yil oxirida Xitoyda ikki nafar bola dunyoga keldi. Ularning genomi (CCR5 geni o‘chirib qo‘yilgan holda) embrion bosqichida CRISPR/Cas9 usuli bilan sun’iy ravishda o‘zgartirilgan edi. Ushbu tajriba 2016-yildan beri davom etayotgan tadqiqotlar doirasida o‘tkazilgan; bu tadqiqotlarda qarshi kurashish yo‘llari izlanayotgan virus — OIV. Bolalarning ota-onalaridan biri (otasi) OIV bilan zararlangan bo‘lgan, bolalar esa, berilgan bayonotga ko‘ra, sog‘lom tug‘ilgan. Tajriba ruxsatsiz o‘tkazilgani sababli (bungacha inson embrionida bunday tajribalarga faqat rivojlanishning dastlabki bosqichlarida, tajriba materialini keyinchalik yo‘q qilish sharti bilan ruxsat berilgan, ya’ni embrionni bachadonga joylashtirish va bola tug‘ilishiga yo‘l qo‘yilmagan), uni o‘tkazgan olim genomni tahrirlash bo‘yicha xalqaro konferensiyada bildirgan da’volariga dalil taqdim etmadi. 2019-yil yanvar oyi oxirida Xitoy hukumati tajriba o‘tkazilganini rasman tasdiqladi. Bu orada olimga ilmiy faoliyat bilan shug‘ullanish taqiqlandi va u hibsga olindi.

Hujayra muhandisligi organizmdan tashqarida inson uchun kerakli moddalarni ishlab chiqara oladigan o‘simlik va hayvon hujayralari hamda to‘qimalarini yetishtirishga asoslanadi. Bu usul o‘simliklarning qimmatli shakllarini klonal (jinssiz) ko‘paytirishda, shuningdek, masalan, qon limfotsitlari va o‘sma hujayralari xususiyatlarini o‘zida birlashtiradigan gibrid hujayralarni olishda qo‘llaniladi.

Ta’kidlanishicha, GMOlarni davlat ro‘yxatidan o‘tkazish joriy etilganidan keyin ayrim jamoat tashkilotlari va Davlat dumasining ayrim deputatlari faolligi sezilarli oshgan. Ular Rossiya qishloq xo‘jaligiga innovatsion biotexnologiyalarni joriy etishga to‘sqinlik qilishga urinmoqda. 350 nafardan ortiq rossiyalik olim Ilmiy xodimlar jamiyatining gen muhandisligini Rossiya Federatsiyasida rivojlantirishni qo‘llab-quvvatlovchi ochiq xatini imzoladi. Xatda Rossiyada GMOni taqiqlash qishloq xo‘jaligi mahsulotlari bozoridagi sog‘lom raqobatga zarar yetkazish bilan cheklanmay, oziq-ovqat ishlab chiqarish texnologiyalari sohasida sezilarli ortda qolishga, oziq-ovqat importiga qaramlikning kuchayishiga va innovatsion rivojlanishni rasmiy maqsad qilib belgilagan davlat sifatida Rossiyaning nufuziga putur yetkazishga olib kelishi ta’kidlanadi^{[faktning ahamiyati?]}.

• Singer M., Berg P. Genlar va genomlar. — Moskva, 1998.
• Stent G., Kelindar R. Molekulyar genetika. — Moskva, 1981.
• Sambrook J., Fritsch E. F., Maniatis T. Molekulyar klonlash. — 1989.
• Panchin A. Yu. Biotexnologiya jamlanmasi. O‘simliklar, hayvonlar va insonlarni genetik modifikatsiyalash haqidagi afsonalarga qarshi kurash qo‘llanmasi. — M.: AST. — 2015. — 432 bet. ISBN 978-5-17-093602-1
• Patrushev L. I. Sun’iy genetik tizimlar. — M.: Nauka, 2004. — ISBN 5-02-032893-6
• Rifkin J., Govard T.^[ingl.]. Xudo rolini kim o‘ynashi kerak? Hayotni sun’iy yaratish va uning insoniyat kelajagi uchun ahamiyati. — Nyu-York: Dell Publishing, 1977. — 272 bet — (Dell ilmiy-ommabop adabiyotlari). — ISBN 0-440-19504-7.
• Shchelkunov S. N. Genetik muhandislik. — Novosibirsk: Sibir universiteti nashriyoti, 2010. — ISBN 5-379-00335-4, ISBN 978-5-379-00335-7
• Shchelkunov S. N. Genetik muhandislik [Matn]: o‘quv-ma’lumotnoma / S. N. Shchelkunov. — 4-nashr, o‘zgarishsiz. — Novosibirsk: Sibir universiteti nashriyoti, 2010
• Genni tuzatish. Usullar va protokollar. «Molekulyar biologiya usullari» turkumi, 1114-jild, Storichi, Francheska (muharrir), 2014. — ISBN 978-1-62703-760-0
• Tomas Gaj, Charlz A. Gersbax, Karlos F. Barbas (2013) Genom muhandisligi uchun ZFN, TALEN va CRISPR/Cas asosidagi usullar. Biotexnologiyadagi tendensiyalar, 31(7), 397—405, doi:10.1016/j.tibtech.2013.04.004
• Torill Kornfeldt. G‘ayritabiiy tanlanish. Gen muhandisligi va kelajak insoni = Torill Kornfeldt. Människan i provröret (Turimizning g‘ayritabiiy tanlanishi). — M.: Alpina Pablisher, 2022. — ISBN 978-5-9614-7516-6.

• Rossiyadagi molekulyar biologlar uchun eng yirik portal
• Alberts va boshqalar. Hujayraning molekulyar biologiyasi
• T. A. Braun. Genomlar