Генная и клеточная инженерия кратко. Генетическая и клеточная инженерия — научная основа биотехнологии

6.1 Генетическаяинженерия, принципы, возможности. Областиприменениябиологическихагентов, полученныхметодамигенетическойинженерии

При оптимизации любого биотехнологического процесса, протекающего с участием живых организмов, основные усилия обычно направлены на улучшение их генетических свойств. Традиционно для этих целей использовали мутагенез с последующим скринингом и отбором подходящих вариантов. Сегодня в этой области произошли громадные перемены. В настоящее время разрабатываются и применяются принципиально новые методы, основанные на технологии рекомбинантных ДНК. Модификация генетического материала осуществляется разными методами: в живом организме (in vivo) и вне его (in vitro), соответственно, это два направления – клеточная инжене-

рия и генетическая инженерия.

С помощью этих методов возможно получение новых высокопродуктивных продуцентов белков и пептидов человека, антигенов, вирусов и др. Развитие генетической и клеточной инженерии приводит к тому, что биотехнологическая промышленность все шире и шире завоевывает новые области производства. Фундаментом для возникновения новейших методов биотехнологии послужили открытия в генетике, молекулярной биологии, генетической энзимологии, вирусологии, микробиологии и других дисциплинах.

Быстрое внедрение новейших фундаментальных достижений в практику и существенное влияние последних на уровень теоретических исследований, свойственные биотехнологии, наиболее наглядно проявляются на примере развития генетической инженерии.

Важнейшим этапом для развития биотехнологии было выделение в середине текущего столетия молекулярной биологии в самостоятельную дисциплину. Возникновение молекулярной биологии стало возможным благодаря взаимодействию генетики, физики, химии, биологии, математики и др. Э. Чаргофф и З. Д. Хочкис, исследуя молекулярные соотношения нуклеотидных оснований в ДНК (аденин, гуанин, цитозин, тимин) показали, что у различных организмов они одинаковы. Это открытие сыграло ключевую роль в установлении структуры ДНК. Большую роль в расшифровке структуры ДНК сыграл прогресс в области генетики бактерий и бактериофагов. Было установлено (А. Херши, М. Чейз, Дж. Ледерберг, Н. Циндер), что трансдук-

ция (перенос генетического материала) может осуществляться с помощью бактериофага, а фаговой ДНК может принадлежать роль носителя наследственности. Б. Хейсом были выяснены также закономерности полового процесса у бактерий (конъюгация), при котором из донорских клеток, имеющих F-фактор (фертильность), генетический материал переносится в реципи-

ентные клетки. Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили комплиментарную модель строения ДНК и механизм ее репликации; было раскрыто уникальное свойство ДНК – способность самовоспроизведения (репликация).

На базе молекулярной биологии и генетики микроорганизмов к началу 60-х гг. сформировалась молекулярная генетика. Г. Гамов в 1954 году выдвинул гипотезу о том, что каждый кодон (последовательность нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту) должен состоять из трех нуклеотидов. В 1961 году было подтверждено экспериментально, что первичная структура белка закодирована в ДНК в виде последовательности нуклеотидных триплетов (кодонов), каждая из которых соответствует одной из 20 аминокислот. К 1966 году удалось получить данные о строении генетического кода.

Следующим был вопрос о том, как переносится информация с ДНК, находящейся в ядре, в цитоплазму, где реализуется синтез белка на рибосомах. Было установлено, что последовательность триплетных кодонов, хранящаяся в ДНК, транскрибируется (переписывается) в недолговечные молекулы ин-

формационной РНК (иРНК). Данный этап ДНК → иРНК был назван транс-

крипцией, а этап иРНК → белок – трансляцией. Перенос аминокислоты и определение ее местонахождения в синтезирующейся белковой молекуле осуществляет транспортная РНК (тРНК). На ДНК, как на матрице, синтезируется РНК, а на РНК – белок. У некоторых вирусов отсутствует первое звено, и РНК служит для них материалом наследственности.

Механизм контроля генной активности долгое время оставался неизвестным. Большое значение имели работы Ф. Жакоба и Ж. Моно, показавшие, что у бактерий есть структурные гены , дающие информацию о синтезе определенных белков и регуляторные гены, которые осуществляют включение или выключение отдельных генов или их блоков. Далее выяснилось, что регуляция генов по этому принципу имеет место и у других организмов. Существуют также иные механизмы регуляции.

Следующим важным шагом было проведение работ по расшифровке нуклеотидных последовательностей (секвенирование) , которое дает информацию о первичной структуре участка генома, выполняющего определенные функции. Структура и функции приобрели общее молекулярно-биологическое выражение, его суть заключается в том, что функциональные состояния выражают структурные изменения макромолекул и ассоциаций.

От изучения закономерностей функционирования генетического материала в клетке вскоре исследователи перешли к генетическим манипуляциям. Возникла новая экспериментальная технология, заключающаяся во введении в клетки чужеродных генов. Названия «генетическая (или генная) инженерия» или «работа с рекомбинантными ДНК» эквивалентны. Суть этой техно-

логии заключается в воссоединении фрагментов ДНК in vitro с последую-

щим введением новых («рекомбинантных») генетических структур в живую клетку.

В 1972 году Берг с сотрудниками создали первую рекомбинантную молекулу ДНК, состоящую из фрагмента ДНК вируса ОВ40 и бактериофага

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

6.1 Генетическая инженерия, принципы, возможности. Области применения биологич. агентов, полученных методами генетич. инженерии

λ dvgal с галактозным опероном E. coli . Инструментом для генетического конструирования стали две группы ферментов – рестриктирующие эндонуклеазы (рестриктазы) и лигазы . Первые необходимы для получения од-

нородных фрагментов ДНК, вторые – для их соединения. Рестриктазы и лигазы в совокупности с другими ферментами (нуклеазами, обратной транскриптазой, ДНК-полимеразой и др.) обеспечивают проведение всех генноинженерных манипуляций.

Плазмида E.coli расщепляется рестриктазой в обеих частях ДНК с образованием на концах неспаренных нуклеотидов (ТТАА или ААТТ). Ген выщеплен с помощью этой же рестриктазы с образованием на концах, комплиментарных плазмиде, последовательностей (ААТТ и ТТАА). Обе ДНК (гена и плазмиды) сшивают с помощью лигазы. Гибридную плазмиду вводят в E. coli , которая при размножении образует клон, все клетки которого содержат рекомбинантную плазмиду и чужеродный ген. Ген клонирован в бактериальной клетке и индуцирует в ней синтез белка.

Техника генетического конструирования in vitro включает несколько последовательных процедур (слайд):

- получение нужного гена;

- встраивание его в генетический элемент, способный к репликации (вектор);

- введение гена, входящего в состав вектора, в организм-реципиент;

- идентификацию (скрининг) и отбор клеток, которые приобрели желаемый ген или гены.

Получение генов. Получение генов возможно несколькими путями: выделением из ДНК, химико-ферментным синтезом и ферментным синтезом.

Выделение генов из ДНК проводят с помощью рестриктаз, катализирующих расщепление ДНК на участках, имеющих определенные нуклеотидные последовательности (4–7 нуклеотидных пар). Расщепление можно проводить по середине узнаваемого участка нуклеотидных пар; при этом обе нити ДНК «разрезаются» на одном уровне. Образующиеся фрагменты ДНК имеют так называемые тупые концы. Возможно расщепление ДНК со сдвигом, при этом одна из нитей выступает на несколько нуклеотидов. Образуемые при этом «липкие» концы в силу своей комплементарности вступают во взаимодействие.

Нуклеотидную последовательность с липкими концами можно присоединить к вектору (предварительно обработанному той же рестриктазой), превратить в кольцевую в результате сшивания лигазами взаимно комплиментарных концов. Метод имеет существенные недостатки, так как достаточно трудно подобрать действие ферментов для строгого вычленения нужного гена. Вместе с геном захватываются «лишние» нуклеотиды или, наоборот, ферменты отрезают часть гена, превращая его в функционально неполноценный.

Химико-ферментный синтез применяют в том случае, если известна первичная структура белка или пептида, синтез которого кодирует ген. Необходимо полное знание нуклеотидной последовательности гена. Этот метод позволяет

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

точно воссоздать нужную последовательность нуклеотидов, а также вводить в

гены участки узнавания рестриктаз, регуляторных последовательностей и пр. Метод состоит из химического синтеза одноцепочечных фрагментов ДНК (олигонуклеотидов) за счет поэтапного образования эфирных связеймежду нуклеотидами, обычно 8–16-звенных. В настоящее время существуют «генные машины», которые под контролем микропроцессора очень быстро синтезируют специфические короткие последовательности одноцепочечной ДНК. На слайде показана схема такой машины, сконструированной канадской фирмой «Био лоджикэлс». Нужная последовательность оснований вводится на клавишный пульт управления. Микропроцессор открывает клапаны, через которые с помощью насоса в синтезирующую колонку последовательно поступают нуклеотиды, а также необходимые реагенты и растворители. Колонка наполнена бусинками кремния, на которых собираются молекулы ДНК. В данном устройстве возможен синтез цепей длиной до 40 нуклеотидов со скоростью 1 нуклеотид за 30 минут. Полученные олигонуклеотиды с помощью ДНК-лигазы сшиваются между собой с образованием двуцепочечного нуклеотида. С помощью данного метода были получены гены А- и В-цепей инсулина, проинсулина, соматостатина и др.

Ферментный синтез гена на основе выделенной матричной РНК

(мРНК) является в настоящее время наиболее распространенным методом. Сначала из клеток выделяют матричные РНК, среди которых присутствует мРНК, кодируемая геном, который требуется выделить. Затем в подобранных условиях на выделенной из клетки мРНК, как на матрице, с помощью обратной транскриптазы (ревертазы) синтезируется нить ДНК, комплиментарная мРНК (кДНК ). Полученная комплиментарная ДНК (кДНК) служит матрицей для синтеза второй нити ДНК с использованием ДНК-полимеразы или ревертазы. Затравкой при этом служит олигонуклеотид, комплиментарный 3’-концу мРНК; новая цепь ДНК образуется из дезоксинуклеозидтрифосфатов в присутствии ионов магния. Метод с большим успехом применен для получения в 1979 году гена гормона роста человека (соматотропина).

Полученный тем или иным способом ген содержит информацию о структуре белка, но сам не может ее реализовать. Поэтому нужны дополнительные механизмы для управления действием гена.

Перенос генетической информации в клетку реципиента осуществляется в составе вектора. Вектор – это, как правило, кольцевая молекула ДНК, способная к самостоятельной репликации. Ген вместе с вектором образует рекомбинантную ДНК.

Конструирование рекомбинантных ДНК. При обычном введении в

бактериальную клетку ДНК подвергается ферментативной атаке, в результате которой разрушается. Чтобы этого не происходило, используют векторные молекулы ДНК, способные при введении в клетку существовать автономно, а при делениях клетки – реплицироваться. Вектор также несет в своем составе генетический признак, необходимый для последующего распознавания и отбора трансгенных организмов. Обычно в качестве маркерных генов используют гены устойчивости к антибиотикам.

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Конструирование рекомбинантных ДНК осуществляется in vitro с изолированными ДНК при помощи эндонуклеаз рестрикции, которые расщепляют вектор в одном участке, превращая его из кольцевой формы в линейную с образованием липких концов, комплиментарных концам вводимой ДНК. Комплиментарные концы вектора и вводимого гена сшиваются лигазой. Полученную рекомбинантную ДНК с помощью той же ДНК-лигазы замыкают с образованием кольцевой молекулы.

В качестве векторов используют плазмиды и вирусы. Вирусы транспортируются из клетки в клетку, за короткое время способны быстро заразить весь организм. Важная проблема при их использовании – аттеньюация (ослабление патогенности для хозяина); поэтому не очевидно, что зараженные вирусом клетки выживут и смогут передавать потомству измененную генетическую программу. Наиболее распространенными векторами являются многокопийные плазмиды с молекулярной массой 3–10 кб. Первые плазмиды были выделены из бактерий, впоследствии их стали конструировать методами генной инженерии.

Использование векторов общего назначения методически – несложная задача, не требующая специального оборудования. Наиболее используемыми плазмидными векторами для клонирования служат плазмиды E. coli (pBR322, pBR325, pACYC117, pACYC 184), а также сконструированные на основе плазмиды CoIEI. Современные плазмидные векторы в присутствии хлорамфеникола способны к репликации, независимо от деления хромосомы, количество копий плазмид при этом может возрастать до 1–2.103 копий на клетку.

При получении библиотеки генов растений и высших животных, у которых общая длина генома составляет до 3109 и более, емкость вектора часто играет решающую роль. В данном случае в качестве вектора используют ДНК фага λ . При помощи специальных методов рекомбинантные ДНК вводят прямо в фаговые головки. Еще большей емкостью обладают плазмиды– космиды (до 40 кб), у которых cos-фрагмент генома фага λ участвует в упаковке ДНК в фаговую частицу на конечной стадии развития. Для упаковки ДНК необходимо, чтобы ДНК содержала COS-участок и ее размер был примерно равным размеру генома фага. Достигнутые методы упаковки ДНК в фаговую головку при помощи космид позволяют получать библиотеки генов практически любых организмов.

Перенос генов в клетки организма-реципиента. Перенос рекомби-

нантных ДНК осуществляется путем трансформации или конъюгации . Трансформация – это процесс изменения генетических свойств клетки в результате проникновения в нее чужеродной ДНК. Впервые она была обнаружена у пневмококков Ф. Гиффитом, который показал, что некоторые клетки невирулентных штаммов бактерий при заражении ими мышей совместно с вирулентными штаммами приобретают патогенные свойства. В дальнейшем

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

трансформация была продемонстрирована и изучена у различных видов бактерий.

Установлено, что к трансформации способны лишь некоторые, так называемые компетентные, клетки (способные включать чужеродную ДНК и синтезирующие особый трансформирующий белок). Компетентность клетки определяется также факторами внешней среды. Этому может способствовать обработка клеток полиэтиленгликолем или хлоридом кальция. После проникновения в клетку одна из нитей рекомбинантной ДНК деградирует, а другая за счет рекомбинации с гомологичным участком реципиентной ДНК может включиться в хромосому или внехромосомную единицу. Трансформация является наиболее универсальным способом передачи генетической информации и имеет наибольшее значение для генетических технологий.

Конъюгация – один из способов обмена генетического материала, при котором происходит однонаправленный перенос генетической информации от донора к реципиенту. Этот перенос находится под контролем особых конъюгативных плазмид (фактор фертильности). Перенос информации от донорской клетки в реципиентную осуществляется через специальные половые ворсинки (пили). Возможна передача информации и с помощью неконъюгативных плазмид при участии плазмид-помощниц.

Передача всего набора генов вируса или фага, приводящая к развитию в клетке фаговых частиц, называется трансфекцией . Методика применительно к бактериальным клеткам включает получение сферопластов, очистку инкубационной среды от нуклеаз и добавление очищенной фаговой ДНК (присутствие протаминсульфата повышает эффективность трансфекции). Методика применима к животным и растительным клеткам с участием специальных челночных вирусных векторов.

Скрининг и отбор рекомбинантных клеток. После переноса сконст-

руированных ДНК, как правило, лишь небольшая часть реципиентных клеток приобретает необходимый ген. Поэтому очень важный этап – идентификация клеток, несущих ген-мишень.

На первой стадии идентифицируют и отбирают клетки, несущие вектор, на основе которого осуществлен перенос ДНК. Отбор проводят по генетическим маркерам, которыми помечен вектор. Главным образом маркерами служат гены устойчивости к антибиотикам. Поэтому отбор проводят высевом клеток на среды, содержащие конкретный антибиотик. После высева на этих средах вырастают только клетки, в составе которых находится вектор с генами антибиотиковой устойчивости.

На второй стадии отбирают клетки, несущие вектор и ген-мишень. Для этого используют две группы методов: 1) основанные на непосредственном анализе ДНК клеток-реципиентов и 2) основанные на идентификации признака, кодируемого геном-мишенью. При использовании первой группы методов из клеток, предположительно содержащих нужный ген, выделяют векторную ДНК, и в ней проводится поиск участков, несущих данный ген. Далее проводят секвенирование части нуклеотидной последовательности гена.

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Возможен другой метод – гибридизация выделенной из клеток ДНК с зондом (искомый ген или соответствующая ему мРНК); выделенную ДНК переводят в одноцепочечное состояние и вводят ее во взаимодействие с зондом. Далее определяют наличие двуцепочечных гибридных молекул ДНК. Во втором варианте возможен непосредственный отбор клеток, синтезирующих белок – продукт транскрипции и трансляции гена-мишени. Применяются также селективные среды, поддерживающие рост только клеток, приобретших генмишень.

С помощью методов генетической инженерии возможно конструирование новых форм микроорганизмов по заданному плану, способных синтезировать разнообразные продукты, в том числе эукариотических организмов. Рекомбинантные микробные клетки быстро размножаются в контролируемых условиях и способны утилизировать при этом разнообразные, в том числе недорогие, субстраты.

Основные проблемы, возникающие при генетических манипуляциях, заключаются в следующем: 1) гены при трансформации, попадая в чужеродную среду, подвергаются воздействию протеаз, поэтому их надо защищать; 2) как правило, продукт трансплантированного гена аккумулируется в клетках и не выделяется в среду; 3) большинство желаемых признаков кодируется не одним, а группой генов. Все это существенно затрудняет перенос и требует разработки технологии последовательной трансплантации каждого гена.

К настоящему времени генетическая инженерия освоила все царства живого. Фенотипическое выражение «чужих» генов (экспрессия) получены у бактерий, дрожжей, грибов, растений и животных. Блестящие успехи достигнуты на клетках наиболее и всесторонне изученных микроорганизмов. Эра рекомбинантных ДНК применительно к растениям и высшим животным только начинается. В области генетической инженерии животных клониро-

ваны гены β -глобина мышей, фага λ . Помимо почечных клеток зеленой африканской мартышки, испытываются все новые виды культуры животных клеток, в том числе клетки человека. Например, в клетках непарного шелкопряда с применением вирусного вектора удалось добиться экспрессии гена β -интерферона человека. Этот ген также клонирован в клетках млекопитающих. В генетической инженерии человека, как и в генетическом конструировании растений, пока не достигнуто тканеспецифического выражения генов. Решения данной проблемы ищут на путях введения определенных промоторов регуляторных участков в конструируемые векторы. Пока остается достаточно отдаленной задачей возможность улучшения сельскохозяйственных пород животных. К настоящему времени практически нет сведений по генетике таких признаков, как плодовитость, выход и жирность молока, повышение устойчивости к болезням и др. Это препятствует попыткам генетических манипуляций в данной области.

Генетическая инженерия не только дает в руки биотехнологов новые продуценты ценных соединений, но и улучшает и повышает эффективность ценных свойств уже традиционно используемых организмов. Распространен-

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

ным методом повышения выхода полезного продукта является амплифика-

ция – увеличение числа копий генов. Образование многих целевых про-

дуктов (аминокислот, витаминов, антибиотиков и др.) характеризуется длинным биохимическим путем синтеза, который управляется не одним, а десятками генов. Выделение этих генов и клонирование с помощью амплификации представляет довольно трудную, но в ряде случаев возможную задачу. Повышение выхода полезного продукта достигается также с помощью лока-

лизованного (сайт-специфического) мутагенеза in vitro: с использованием химического мутагенеза обрабатывается не весь геном клетки, а его фрагмент, полученный с помощью рестрикции.

6.2 Технологиигенетическогоконструированияорганизмов in vitro. ИсточникиДНКдляклонированиягенов (рестрикция, ферментныйихимико-ферментныйсинтезгенов).

МетодывведенияДНК.. ЭкспрессиягеновврекомбинантныхДНК. Геннаяинженерияпромышленноважныхпродуцентовинсулина, соматотропина, интерферонов

Развитие техники рекомбинантных ДНК позволяет проводить выделение генов эукариот и экспрессировать их в гетерологических системах. В настоящее время методы генетической инженерии позволяют конструировать генетические системы, способные функционировать в клетках прокариот и эукариот. Эти возможности используют для создания организмов, обладающие новыми ценными свойствами, например бактериальные штаммы, способные синтезировать эукариотические белки.

Среди белковых продуктов, представляющих большой интерес, выделяются такие биологически активные вещества, как гормоны. Важное место среди них занимают белковые и пептидные гормоны. Эти гормоны, многие из которых остро необходимы в медицине, до недавнего времени получали экстракцией из тканей животных при условии, что гормон не обладает выраженной видовой специфичностью. Сравнительно короткие пептидные гормоны пытались получать химическим синтезом. Но такой путь получения оказался нерентабельным уже для молекул, состоящих из нескольких десятков звеньев. Единственным источником гормонов с крайне выраженной видовой специфичностью (гормон роста соматотропин) были органы умерших людей.

Успехи генетической инженерии вселили надежды на возможность клонирования генов синтеза ряда гормонов в микробных клетках. Эти надежды в значительной мере оправдались, в первую очередь, на примере микробиологического синтеза пептидных гормонов.

Первые успешные результаты по экспрессии химически синтезированной последовательности нуклеотидов ДНК, кодирующей 14-звенный пептидный гормон соматостатин (антагонист соматотропина), получены в 1977 году в США компанией «Генетек». Для предотвращения процесса разруше-

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

ния гормона в бактериальных клетках под воздействием пептидазы авторы применили подход, который потом был успешно использован для получения других пептидных гормонов. Был сконструирован гибридный ген, часть которого была взята из гена фермента β -галактозидазы кишечной палочки, а остаток представлял собой фрагмент, кодирующий собственно соматостатин (фрагмент синтезировали химически). Введенный в бактериальные клетки гибридный ген направлял синтез белка-химеры, состоящего более чем на 90 % из аминокислотной последовательности β -галактозидазы. Остальная часть представляла собой соматостатин. На стыке участка двух исходных генов находился кодон аминокислоты метионина. Последнее позволило обработать гибридный белок бромцианом, разрывающим пептидную связь, образованную метионином; среди продуктов расщепления был обнаружен соматостатин. Данный подход был использован для получения многих пептидных гормонов (А- и В-цепей инсулина, нейропептида лейэнкефалина, брадикинина, ангиотензина и др.).

Генноинженерными методами за короткий срок были созданы микро- организмы-суперпродуценты, позволяющие получать с высокими выходами ряд белков вирусов и животных. Созданы штаммы, у которых до 20 % клеточного белка составляют генноинженерные продукты, например коровий антиген вируса гепатита В, главный капсидный антиген вируса ящура, реннин теленка, поверхностный антиген вируса гепатита В и др.

Получение рекомбинантного инсулина. Гормон инсулин построен из двух полипептидных цепей, А и Б, длиной в 20 и 30 аминокислот соответственно. Последовательность цепей была установлена в 1955 году Сэнгером. Синтез обеих цепей, включающий 170 химических реакций, в 1963 году был реализован в США, ФРГ и Китае. Но перенести такой сложный процесс в промышленность оказалось невозможным. Получали инсулин до 1980 году за счет выделения его из поджелудочной железы (поджелудочная железа коровы весит 200–250 г, а для получения 100 г кристаллического инсулина требуется до 1 кг исходного сырья). Поэтому потребности в нем удовлетворяли не полностью. Так, в 1979 году из 6 млн. зарегистрированных больных сахарным диабетом инсулин получали только 4 млн. человек. В 1980 году датская компания «Ново индастри» разработала метод превращения инсулина свиньи в инсулин человека ферментативным замещением остатка аланина, который является 30-й аминокислотой в цепи В, на остаток треонина. В результате был получен однокомпонентный инсулин человека 99 %-й чистоты. В организме животного две полипептидные цепи исходно являются частями одной белковой молекулы длиной в 109 аминокислот – это препроинсулин. При синтезе в клетках поджелудочной железы первые 23 аминокислоты служат сигналом для транспорта молекулы сквозь мембрану клетки. Эти аминокислоты отщепляются, и образуется проинсулин длиной в 86 аминокислот.

В 1980 году Гилберт с коллегами выделили мРНК инсулина из опухоли β -клеток поджелудочной железы крысы (в то времяне разрешали манипулиро-

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

6.2 Технологии генетического конструирования организмов nvitro. Источники ДНКдля клонирования генов. Методывведения ДНК…

вать генами человека). Полученную ДНК-копию мРНК встроили в плазмиду pBR 322, в среднюю часть гена пенициллиназы (фермент в норме выделяется из клетки), которую транспортировали в бактерию. Сконструированная плазмида, как оказалось, содержала информацию о структуре проинсулина, а не препроинсулина. При трансляции мРНК в клетках E. coli синтезировался гибридный белок, содержащий последовательности пенициллиназы и проинсулина. Гормон из этого белка выщепляли трипсином. Было доказано, что полученный таким образом белок влияет на сахарный обмен аналогично гормону поджелудочной железы. В 1979 году в США в течение трех месяцев синтезировали гены, кодирующие А- и В-цепи инсулина; гены были собраны из 18 и 11 олигонуклеотидов соответственно. Далее гены были встроены, как и при получении соматостатина, в плазмиду в конце генаβ -галактозидазы кишечной палочки.

В клетках E. coli также осуществлен синтез проинсулина, а не только его отдельных цепей. На выделенной матричной мРНК синтезировали ДНКкопию. Синтез проинсулина имеет определенные преимущества, так как процедуры экстракции и очистки гормона минимальны.

Совершенствование техники получения генноинженерных штаммовпродуцентов с помощью различных приемов (амплификацией плазмид, инкапсулированием вводимых рекомбинантных ДНК, подавлением протеолитической активности реципиентных клеток) позволило получить высокие выходы гормона, до 200 мг/л культуры. Медико-биологические и клинические испытания генноинженерного белка показали пригодность препарата, и в 1982 году он был допущен к производству во многих странах.

Биосинтез соматотропина. Соматотропин (гипофизарный гормон роста) впервые был выделен в 1963 году из трупного материала. Выход гормона из одного гипофиза составлял около 4–6 мг в пересчете на готовый фармацевтический препарат. Для лечения карликовости необходимая доза составляет 6 мг в неделю в течение года. Кроме недостатка по массе, получаемый экстракцией препарат был гетерогенным, против него вырабатывались антитела, которые сводили на нет действие гормона. Более того, существовала опасность, что при получении препарата могло произойти заражение организма медленно развивающими вирусами. Поэтому дети, получавшие данный препарат, нуждались в многолетнем медицинском наблюдении.

Генноинженерный препарат имеет несомненные преимущества: доступен в больших количествах, гомогенен, не содержит вирусов. Синтез соматотропина, состоящего из 191 аминокислотного остатка, был осуществлен в США Гедделем с сотрудниками в 1979 году (компания «Генентек»).

При химико-ферментном синтезе ДНК получается ген, кодирующий предшественник соматотропина, поэтому был выбран специальный путь клонирования. На первом этапе клонировали двунитевую ДНК-копию мРНК и расщеплением рестиктазами получали последовательность, кодирующую всю аминокислотную последовательность гормона, кроме первых 23 аминокислот. Далее клонировали синтетический полинуклеотид, соответствующий этим 23 аминокислотам со стартовым ANG кодоном в начале. Два получен-

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

ных фрагмента соединяли и подстраивали к паре lac-промоторов и участку связывания рибосом. Сконструированный ген трансплантировали в E. coli. Синтезированный в бактериях гормон обладал требуемой молекулярной массой, не был связан с каким-либо белком; его выход составлял около 100 000 молекул на клетку. Гормон, однако, содержал на N-конце полипептидной цепи дополнительный остаток метионина; при удалении последнего выход гормона был низким.

В 1980 году были получены доказательства того, что генноинженерный соматотропин обладает биологической активностью нативного гормона. Клинические испытания препарата также прошли успешно. В 1982 году гормон был получен также на основе сконструированной кишечной палочки в Институте Пастера в Париже. Стоимость гормона к 1990 году снизилась до 5 долларов/ед. В настоящее время его начинают применять в животноводстве для стимулирования роста домашнего скота, удоев и др.

Получение интерферонов. Интерфероны – группа белков, способных продуцироваться в ядерных клетках позвоночных. Это мощные индуцибельные белки, являющиеся фактором неспецифической резистентности, поддерживающего гомеостаз организма. Система интерферонов обладает регуляторной функцией в организме, так как способна модифицировать различные биохимические процессы. Интерфероны позвоночных, в том

числе человека, разделяют на три группы: α , β , γ , соответственно, лейкоцитарные, фибробластные и иммунные.

В конце 70-х годах стала очевидной потенциальная значимость интерферонов для медицины, в том числе профилактики онкологических заболеваний. Клинические испытания сдерживались отсутствием достаточных количеств интерферонов и высокой стоимостью препаратов, полученных традиционным способом (выделение из крови). Так, в 1978 г оду для получения

0.1 г чистого интерферона в Центральной лаборатории здравоохранения Хельсинки (лаборатория – мировой лидер по производству интерферона из лейкоцитов здоровых людей) получали при переработке 50 000 л крови. Полученное количество препарата оценочно могло обеспечить лечение против вирусной инфекции 10 000 случаев. Перспективы получения интерферонов связывали с генной инженерией.

В 1980 году Гилберту и Вейссману в США удалось получить интерферон в генетически сконструированной E. coli. Исходная трудность, с которой они столкнулись, – низкий уровень мРНК в лейкоцитах, даже стимулированных заражением вирусом. При переработке 17 л крови удалось выделить мРНК и получить ДНК-копию. Последнюю встроили в плазмиду и клонировали в E. coli . Было испытано свыше 20 000 клонов. Отдельные клоны были способны к синтезу интерферона, но с низким выходом, 1–2 молекулы на клетку. Аналогичные исследования проводили в Японии, Англии, Франции, России.

В 1980 г. были установлены нуклеотидные последовательности α - и β - интерферонов: мРНК фибробластного интерферона состоит из 836 нуклеоти-

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

дов; из них 72 и 203 нуклеотида приходятся на 5’- и 3’ -нетранслируемые области, 63 кодируют пептид, ответственный за секрецию интерферона из клеток, и 498 нуклеотидов кодируют 166 аминокислотных остатков собственно интерферона. После этого химическим синтезом были получены гены α - и β - интерферонов, которые клонировали в E. coli . В 1981 г оду была расшифрована нуклеотидная последовательность иммунного интерферона, существенно отличающегося от первых двух, но сравнимого по величине молекулы. Существенным моментом был полный синтез гена лейкоцитарного интерферона человека, осуществленный в Великобритании сотрудниками фирмы «Империал кемикал индастри» и Школы биологических наук Лестерского университета. В течение полутора лет была синтезирована полная последовательность ДНК-копии интерферона, способная кодировать α 1 -интерферон. Синтез олигонуклеотидов был осуществлен новым методом, значительно ускорившим синтез гена. Вначале к полиакриламидной смоле был присоединен нуклеотид; далее проводили присоединение пар нуклеотидов, используя конденсирующий агент в безводном пиридине. Каждый цикл длился полтора часа, поэтому в течение года можно было синтезировать последовательность длиной в 5000 нуклеотидов. Было синтезировано 67 олигонуклеотидов, которые с помощью лигазы соединили в двунитевую ДНК, состоящую из 514 пар нуклеотидов. Полученный ген встраивали в клетки двух бактерий: E. coli ,

Methylophilus methylotrophus, и была получена экспрессия.

Усилия, направленные на получение генноинженерных интерферонов, по сравнению с методом культуры клеток позволили снизить затраты более чем в 100 раз. Были получены различные типы интерферонов на основе генноинженерных клеток бактерий и дрожжей. Это дало возможность развернуть медико-биологические и клинические испытания препаратов. Получаемые в течение 1980–1981 годов препараты интерферонов были очищены на 80 %-й и обладали удельной активностью более 107 международных единиц на 1 мг белка. Расширение клинических испытаний интерферонов, начатых в этот период, зависит от повышения степени его очистки. Прогресс в этом направлении был достигнут применением моноклональных антител, которые можно использовать для аффинной хроматографии (при этом нужные белки задерживаются на колонке с антителами).

6.3 Клеточнаяинженерия. Получениебиологическихагентов методамиклеточнойинженерииin vivo. Мутагенез.

Методыполученияивыделениямутантов. Гибридизацияэукариотическихклеток.

Плазмидыиконьюгацияубактерий. Фагиитрансдукция. Техникаслиянияпротопластов. Гибридомы.

Получениеиприменениемоноклональныхантител

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Традиционно для получения более активных биологических агентов при-

меняли селекцию и мутагенез. Селекция – это направленный отбор мутантов

– организмов, наследственность которых приобрела скачкообразное изменение в результате структурной модификации в нуклеотидной последовательности ДНК. Генеральный путь селекции– это путь от слепого отбора нужных продуцентов к сознательному конструированию их генома. Традиционные методы отбора в свое время сыграли важную роль в развитии различных технологий с использованием микроорганизмов. Были отобраны штаммы пивных, винных, пекарских, уксуснокислых и других микроорганизмов. Ограничения метода селекции связано с низкой частотой спонтанных мутаций, приводящих к изменению в геноме. Ген должен удвоиться в среднем 106 –108 раз,чтобы возникала мутация.

К существенному ускорению процесса селекции ведет индуцированный мутагенез (резкое увеличение частоты мутаций биологического объекта при искусственном повреждении генома). Мутагенным действием обладают ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, ряд химических соединений (азотистая кислота, бромурацил, антибиотики и пр.). После обработки популяции мутагеном проводят тотальный скрининг (проверку) полученных клонов и отбирают наиболее продуктивные. Проводят повторную обработку отобранных клонов и вновь отбирают продуктивные клоны, то есть проводят ступенчатый отбор по интересующему признаку.

Работа эта требует больших трудозатрат и времени. Недостатки ступенчатого отбора могут быть в значительной степени преодолены при сочетании его с методами генетического обмена.

Генетическое конструирование in vivo (клеточная инженерия) включает получение и выделение мутантов и использование различных способов обмена наследственной информацией живых клеток

Основой клеточной инженерии является слияние неполовых клеток (гибридизация соматических клеток) с образованием единого целого. Слияние клеток может быть полным, или клетка-реципиент может приобрести отдельные части донорской клетки (митохондрии, цитоплазму, ядерный геном, хлоропласты и др.). К рекомбинации ведут различные процессы обмена генетической информацией живых клеток (половой и парасексуальный процессы эукариотических клеток; конъюгация, трансформация и трансдукция у прокариот, а также универсальный метод – слияние протопластов).

При гибридизации берут генетически маркированные штаммы микроорганизмов (чаще ауксотрофные мутанты или мутанты, устойчивые к ингибиторам роста). В результате слияния клеток (копуляции) происходит образование гибридов у дрожжей, грибов, водорослей. Если исходные клетки были гаплоидными, в результате слияния ядер появляется диплоидная клетка (зигота), несущая в ядре двойной набор хромосом. У отдельных представителей ядро сразу подвергается мейозу, в ходе которого каждая из хромосом расщепляется. Гомологичные хромосомы образуют пары и обмениваются частями своих хроматид в результате кроссинговера. Далее формируются гаплоидные половые споры, каждая из которых содержит набор генов, которыми различались родительские клетки, в результате рекомбинации генов

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

6.3 Клеточная инженерия. Получ. биологич. агентов методами клеточ. инженерии in vivo. Мутагенез. Методы получ. и выделения мутантов

одной и той же хромосомы, а также разных хромосом при распределении хромосомных пар. Если после слияния ядра не сливаются, образуются формы со смешенной цитоплазмой и ядрами разного происхождения (гетерокарионы). Такие формы свойственны грибам, особенно продуцентам пенициллинов. При размножении полученных гетерозиготных диплоидов или гетерокарионов происходит расщепление – проявление в потомстве, обнаруживающем не только доминантные, но и рецессивные признаки родителей. Половой и парасексуальный процессы широко используют в генетической практике промышленно важных микроорганизмов-продуцентов.

У бактерий обмен генетической информацией происходит в результате взаимодействия конъюгативных плазмид (конъюгации) . Впервые конъю-

гацию наблюдали у E. coli K-12. Для конъюгационного скрещивания культуру донора и реципиента смешивают и совместно инкубируют в питательном бульоне или на поверхности агаризованных сред. Клетки при помощи образующегося конъюгационного мостика соединяются между собой; через мостик осуществляется передача определенного сайта плазмидной хромосомы к реципиенту. Так, при 37 °С для переноса всей хромосомы требуется около 90 минут. Конъюгация открыла и открывает широкие перспективы для генетического анализа и конструирования штаммов.

Трансдукция – процесс переноса генетической информации от клетки реципиента к клетке-донору с помощью фага. Впервые этот про-

цесс был описан в 1952 году Циндером и Лидербергом. Трансдукция основана на том, что в процессе размножения фагов в бактериях возможно образование частиц, которые содержат фаговую ДНК и фрагменты бактериальной ДНК. Для осуществления трансдукции нужно размножить фаг в клетках штаммадонора, а затем заразить им клетки-реципиента. Отбор рекомбинантных форм проводят на селективных средах, не поддерживающих роста исходных форм.

В последние годы очень широко применяют метод слияния протопластов. Этот метод, видимо, является универсальным способом введения генетической информации в клетки различного происхождения. Простота метода делает его доступным для селекции промышленно важных продуцентов. Метод открывает новые возможности для получения межвидовых и межродовых гибридов и скрещивания филогенетически отдаленных форм живого. Получены положительные результаты слияния бактериальных, дрожжевых и растительных клеток. Получены межвидовые и межродовые гибриды дрожжей. Имеются данные о слиянии клеток различных видов бактерий и грибов. Удалось получить гибридные клетки в результате слияния клеток организмов, относящихся к различным царствам: животного и растительного. Ядерные клетки лягушки были слиты с протопластами моркови; гибридная растительно-животная клетка росла на средах для растительных клеток, однако быстро утрачивала ядро и покрывалась клеточной стенкой.

В последние годы успешно проводятся работы по созданию ассоциаций клеток различных организмов, то есть получают смешанные культуры клеток двух или более организмов с целью создания искусственных симбиозов. Успешно проведены опыты по введению азотфиксирующего организма

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Anabaena variabilis в растения табака. Попытки введения A. variabilis непосредственно в черенки зрелых растений табака не дали положительных результатов. Но при совместном культивировании мезофильной ткани табака и цианобактерий удалось получить растения-регенеранты, содержащие цианобактерии. Получены ассоциации клеток женьшеня и паслена с цианобактери-

ей Chlorogleae fritschii.

Перспективно клональное размножение животных клеток для генетических манипуляций. Большие перспективы имеет техника клеточных культур животных клеток для получения биологически активных соединений, хотя делает пока только первые шаги. Культуры опухолевых клеток или нормальные клетки, трансформированные in vitro, сохраняют в ряде случаев способность синтезировать специфические продукты. Несмотря имеющиеся трудности, показана возможность получения ряда веществ в культуре животных клеток.

Важное направление клеточной инженерии связано с ранними эмбриональными стадиями. Так, оплодотворение яйцеклеток в пробирке позволяет преодолеть бесплодие. С помощью инъекции гормонов можно получить от одного животного десятки яйцеклеток, искусственно их оплодотворить in vitro и имплантировать в матку других животных. Эта технология применяется в животноводстве для получения монозиготных близнецов. Разработан новый метод, основанный на способности индивидуальных клеток раннего эмбриона развиваться в нормальный плод. Клетки эмбриона разделяют на несколько равных частей и трансплантируют реципиентам. Это позволяет размножать различных животных ускоренным путем. Манипуляции на эмбрионах используют для создания эмбрионов различных животных. Подход позволяет преодолеть межвидовой барьер и создавать химерных животных. Таким образом получены, например, овцекозлиные химеры.

Наиболее перспективным направлением клеточной инженерии являет-

ся гибридомная технология . Гибридные клетки (гибридомы) образуются в результате слияния клеток с различными генетическими программами, например, нормальных дифференцированных и трансформированных клеток. Блестящим примером достижения данной технологии служат гибридомы, полученные в результате слияния нормальных лимфоцитов и миеломных клеток. Эти гибридные клетки обладают способностью к синтезу специфических антител, а также к неограниченному росту в процессе культивирования.

В отличие от традиционной техники получения антител, гибридомная техника впервые позволила получить моноклональные антитела (антитела, продуцируемые потомками одной-единственной клетки). Моноклональные антитела высокоспецифичны, они направлены против одной антигенной детерминанты. Возможно получение нескольких моноклональных антител на разные антигенные детерминанты, в том числе сложные макромолекулы.

Моноклональные антитела в промышленных масштабах получены сравнительно недавно. Как известно, нормальная иммунная система способна в ответ на чужеродные агенты (антигены) вырабатывать до миллиона различных видов антител, а злокачественная клетка синтезирует только антитела одного типа. Миеломные клетки быстро размножаются. Поэтому культуру, получен-

6. КЛЕТОЧНАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

ную от единственной миеломной клетки, можно поддерживать очень долго. Однако невозможно заставить миеломные клетки вырабатывать антитела к определенному антигену. Эту проблему удалось решить в 1975 году Цезарю Мильштейну. У сотрудников Медицинской научно-исследовательской лаборатории молекулярной биологии в Кембридже возникла идея слияния клеток мышиной миеломы с В-лимфоцитами из селезенки мыши, иммунизированной каким-либо специфическим антигеном. Образующиеся в результате слияния гибридные клетки приобретают свойства обеих родительских клеток: бессмертие и способность секретировать огромное количество какого-либо одного антитела определенного типа. Эти работы имели огромное значение и открыли новую эру в экспериментальной иммунологии.

В 1980 году в США Карло М. Кроче с сотрудниками удалось создать стабильную, продуцирующую антигены, внутривидовую человеческую гибридому путем слияния В-лимфоцитов миеломного больного с периферическими лимфоцитами от больного с подострым панэнцефалитом.

Основные этапы получения гибридомной техники следующие. Мышей иммунизируют антигеном, после этого из селезенки выделяют спленоциты, которые в присутствии полиэтиленгликоля сливают с дефектными опухолевыми клетками (обычно дефектными по ферментам запасного пути биосинтеза нуклеотидов – гипоксантина или тиамина). Далее на селективной среде, позволяющей размножаться только гибридным клеткам, проводят их отбор. Питательную среду с растущими гибридомами тестируют на присутствие антител. Положительные культуры отбирают и клонируют. Клоны инъецируют животным с целью образования опухоли, продуцирующей антитела, либо наращивают их в культуре. Асцитная жидкость мыши может содержать до 10– 30 мг/мл моноклональных антител.

Гибридомы можно хранить в замороженном состоянии и в любое время вводить дозу такого клона в животное той линии, от которой получены клетки для слияния. В настоящее время созданы банки моноклональных антител. Антитела применяют в разнообразных диагностических и терапевтических целях, включая противораковое лечение.

Эффективным способом применения моноклональных антител в терапии является связывание их с цитоксическими ядами. Антитела, конъюгированные с ядами, отслеживают и уничтожают в макроорганизме опухолевые клетки определенной специфичности.

Таким образом, клеточная инженерия служит эффективным способом модификации биологических объектов и позволяет получать новые ценные продуценты на органном и также клеточном и тканевом уровнях.

Государственное образовательное учреждение Высшего

профессионального образования

ВлГУ

Кафедра истории и религиоведения

Реферат

на тему:

Генная и клеточная инженерия. Биотехнологии.

Выполнила: Шипилова Е.В. Гр.ЗЮ-110

Проверила: доцент кафедры истории и

религиоведения Зубков С.А.

Владимир 2011

1. Введение 3

2.Возможности генной инженерии. Биотехнологии 5

3.1. Сельское хозяйство 9

3.2 Медицина и фармацевтика 11

4. Клонирование 14

4.1 Состояние исследований по терапевтическому

клонированию в России 16

5. Проблемы 17

6. Заключение 23

Список литературы 25

1. Введение

Генная инженерия - направление исследований в молекулярной биологии и генетике, конечной целью которых является получение с помощью лабораторных приемов организмов с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств. В основе генной инженерии лежит обусловленная последними достижениями молекулярной биологии и генетики возможность целенаправленного манипулирования с фрагментами нуклеиновых кислот. К этим достижениям следует отнести установление универсальности генетического кода, то есть факта, что у всех живых организмов включение одних и тех же аминокислот в белковую молекулу кодируются одними и теми же последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК; успехи генетической энзимологии, предоставившей в распоряжение исследователя набор ферментов, позволяющих получить в изолированном виде отдельные гены или фрагменты нуклеиновой кислоты, осуществлять in vitro синтез фрагментов нуклеиновых кислот, объединить в единое целое полученные фрагменты. Таким образом, изменение наследственных свойств организма с помощью генной инженерии сводится к конструированию из различных фрагментов нового генетического материала, введение этого материала в рецепиентный организм, создания условий для его функционирования и стабильного наследования.

Генная инженерия возникла в нач. 70-х гг. 20 в. Генетическая инженерия основана на извлечении из клеток какого-либо организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов и соединении их со специальными молекулами ДНК (т. н. векторами), способными проникать в клетки другого организма (главным образом микроорганизмов) и размножаться в них, т.е. создание молекул рекомбинантных ДНК.

Рекомбинантные (чужеродные) ДНК привносят в реципиентный организм новые генетические и физико-биохимические свойства. К числу таких свойств можно отнести синтез аминокислот и белков, гормонов, ферментов, витаминов и др.

Применение методов генетической инженерии открывает перспективу изменения ряда свойств организма: повышение продуктивности, резистентности к заболеваниям, увеличение скорости роста, улучшения качества продукции и др. Животных, несущих в своем геноме рекомбинантный (чужеродный) ген, принято называть трансгенными, а ген, интегрированный в геном реципиента, – трансгеном. Благодаря переносу генов у трансгенных животных возникают новые качества, а дальнейшая селекция позволяет закрепить их в потомстве и создать трансгенные линии.

Методы генетической инженерии позволяют создавать новые генотипы растений быстрее, чем классические методы селекции и появляется возможность целенаправленного изменения генотипа – трансформации.

Генетическая трансформация заключается главным образом в переносе чужеродных или модифицированных генов в эукариотические клетки. В клетках растений возможна экспрессия генов, перенесенных не только от других растений, но и от микроорганизмов и даже животных.

Получение растений с новыми свойствами из трансформированных клеток (регенерация) возможно благодаря их свойству топитотентности, т.е. способность отдельных клеток в процессе реализации генетической информации к развитию в целый организм.

2. Возможности генной инженерии. Биотехнологии.

В настоящее время фармацевтическая промышленность завоевала лидирующие позиции в мире, что нашло отражение не только в объёмах промышленного производства, но и в финансовых средствах, вкладываемых в эту промышленность (по оценкам экономистов, она вошла в лидирующую группу по объёму купли-продажи акций на рынках ценных бумаг). Важной новинкой стало и то, что фармацевтические компании включили в свою сферу выведение новых сортов сельскохозяйственных растений и животных, и тратят на это десятки миллионов долларов в год, они же мобилизировали выпуск химических веществ для быта. Добавок к продукции строительной индустрии и так далее. Уже не десятки тысяч, а возможно, несколько сот тысяч высококвалифицированных специалистов заняты в исследовательских и промышленных секторах фарминдустрии, и именно в этих областях интерес к геномным и генно-инженерным исследованиям исключительно высок.

Очевидно поэтому любой прогресс биотехнологий растений будет зависеть от разработки генетических систем и инструментов, которые позволят более эффективно управлять трансгенами. Ситуация аналогична той, которая наблюдается в компьютерной индустрии, где помимо увеличения объёмов обрабатываемой информации и улучшения самих компьютеров, нужны ещё и операционные системы управления информацией, типа микрософтовских “окон”.

Для чистого вырезания трансгенного ДНК в растительный геном, всё больше применяют заимствованные из микробной генетики системы гомологичной рекомбинации, такие как системы Cre-lox и Flp-frt. Будущее, очевидно, будет за управляемым переносом генов от сорта к сорту, основанного на применении предварительно подготовленного растительного материала, который уже содержит в нужных хромосомах участки гомологии, необходимого для гомологичного встраивания трангена. Помимо интегративных систем экспрессии, будут опробованы автономно реплицирующиеся векторы.осбый интерес представляют искуственные хромосомы растений, которые теоретически не накладывают никаких ограничений на объём вносимой теоретической информации.

Учёные занимаются поиском генов, кодирующих новые полезные признаки. Ситуация в этой области меняется радикальным образом, прежде всего, существованию публичных баз данных, которые содержат информацию о большинстве генов, бактерий, дрожжей, человека и растений, а также вследствие разработки методов, позволяющих одновременно анализировать экспрессию большого количества генов с очень высокой пропускной способностью. Применяемые на практике методы можно разделить на две категории:

1. Методы, позволяющие вести экспрессионное профилирование: субстракционная гибридизация, электронное сравнение EST-библиотек, «генные чипы» и так далее. Они позволяют устанавливать корреляцию между тем или иным фенотипическим признаком и активностью конкретных генов. 2. Позиционное клонирование, заключается в создании за счет инсерционного мутагенеза мутантов с нарушениями в интересующем нас признаке или свойстве, с последующим клонированием соответствующего гена как такового, который заведомо содержит известную последовательность (инсерция). Вышеназванные методы не предполагают никаких изначальных сведений о генах, контролирующих тот или иной признак. Отсутствие рационального компонента в данном случае является положительным обстоятельством, поскольку не ограничен нашими сегодняшними представлениями о природе и генном контроле конкретного интересующего нас признака.

Значительный прогресс достигнут в практической области создания новых продуктов для медицинской промышленности и лечения болезней человека

Использование генно-инженерных продуктов в медицине.

	Природные продукты и сфера применения генно-инженерных продуктов
Антикоагуля-торы	Активатор тканевого плазминогена (АТП), активирует плазмин. Фермент, вовлечённый в рассасывание тромбов; эффективен при лечении больных инфарктом миокарда.
Факторы крови	Фактор VIII ускоряет образование сгустков; дефицитен у гемофиликов. Использование фактора VIII, полученного генно-инженерными методами, устраняет риск связанный с переливанием крови.
Факторы стимулирующие образование колоний	Ростовые факторы иммунной системы, которые стимулируют образование лейкоцитов. Применяют для лечения иммунодефицита и борьбе с инфекциями.
эритропоэтин	Стимулирует образование эритроцитов. Применяют для лечения анемии у больных с почечной недостаточностью.
Ростовые факторы	Стимулируют дифференциацию и рост различных типов клеток. Применяют для ускорения лечения ран.
Гормон роста человека	Применяют при лечении карликовости.
Человеческий инсулин	Используется для лечения диабета
Интерферон	Препятствует размножению вирусов. Также используется для лечения некоторых форм раковых заболеваний.
Лейксины	Активируют и стимулируют работу различных типов лейкоцитов. Возможно применение при залечиваний ран, при заражении ВИЧ, раковых заболеваний,
Моноклональ- ные антитела	Высочайшая специфичность связанная с антителами используется в диагностических целях. применяют также для адресной доставки лекарств, токсинов, радиоактивных и изотопных соединений к раковым опухолям при терапии раков, имеется много других сфер применения.
Супероксид дисмутаз	Предотвращает поражение тканей реактивными оксипроизводными в условиях кратковременной нехватки кислорода, особенно в ходе хирургических операций, когда нужно внезапно восстановить ток крови.
	Искуственно полученные вакцины (первой была получена вакцина против гепатита В) по многим показателям лучше обычных вакцин.

На технологии рекомбинантных ДНК основано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью которых изучают экспрессию генов в тканях, локализацию генов в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (например, у человека и курицы). ДНК-зонды также используются в диагностике различных заболеваний.

Технология рекомбинантных ДНК сделала возможным нетрадиционный подход «белок-ген», получивший название «обратная генетика». При таком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный ген, кодирующий измененную форму белка. Полученный ген вводят в клетку. Если он экспрессируется, несущая его клетка и ее потомки будут синтезировать измененный белок. Таким образом можно исправлять дефектные гены и лечить наследственные заболевания.

Если гибридную ДНК ввести в оплодотворенное яйцеклетку, могут быть получены трансгенные организмы, экспрессирующие мутантный ген и передающие его потомками. Генетическая трансформация животных позволяет установить роль отдельных генов и их белковых продуктов как в регуляции активности других генов, так и при различных патологических процессах. С помощью генетической инженерии созданы линии животных, устойчивых к вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными для человека признаками. Например, микроинъекция рекомбинантной ДНК, содержавшей ген соматотропина быка в зиготу кролика позволила получить трансгенное животное с гиперпродукцией этого гормона. Полученные животные обладали ярко выраженной акромегалией.

3. Направления генной инженерии.

3. 1 Сельское хозяйство.

Генная инженерия непосредственно в сельском хозяйстве имела место быть уже в конце 1980-х годов, когда удалось успешно внедрить новые гены в десятки видов растений и животных - создать растения табака со светящимися листьями, томаты, легко переносящие заморозки, кукурузу, устойчивую к воздействию пестицидов.

Одна из важных задач генной инженерии - получение растений, устойчивых к вирусам, так как в настоящее время не существует других способов борьбы с вирусными инфекциями сельскохозяйственных культур. Введение в растительные клетки генов белка оболочки вируса, делает растения устойчивыми к данному вирусу. В настоящее время получены трансгенные растения, способные противостоять воздействию более десятка различных вирусных инфекций.

Другая важная задача генетической инженерии связана с защитой растений от насекомых-вредителей. Применение инсектицидов не всегда является эффективным в связи с их токсичностью и возможностью смыва инсектицидов с растений дождевой водой. В генно-инженерных лабораториях Бельгии и США были успешно проведены работы по внедрению в растительную клетку генов земляной бактерии Bacillus thuringiensis, которые позволяют синтезировать инсектициды бактериального происхождения. Эти гены были введены в клетки картофеля, томатов и хлопчатника, вследствие чего трансгенные растения картофеля и томатов стали устойчивы к колорадскому жуку, растения хлопчатника оказались устойчивыми к разным насекомым, в том числе и к хлопковой совке. Применение генной инженерии в сельском хозяйстве позволило сократить использование инсектицидов на 40 - 60%. Генными инженерами были выведены трансгенные растения с удлиненным сроком созревания плодов. Это дает возможность снимать такие помидоры с куста красными с уверенностью, что они не перезреют при транспортировке.

Список растений, к которым успешно применены методы генной инженерии, пополняется. В него входят яблоня, виноград, слива, капуста, баклажаны, огурцы, пшеница, рис, соя, рожь и множество других сельскохозяйственных культур.

Одним из основных направлений, в котором применяются технологии генной инженерии, является сельское хозяйство. Классическим уже методом улучшения качества продуктов сельского хозяйства является селекция – процесс, в котором путем искусственного отбора выделяются и скрещиваются отдельные растения или животные, обладающие определенными свойствами, для наследственной передачи этих свойств и их усиления. Этот процесс достаточно продолжительный и не всегда действительно результативный. Генная инженерия обладает способностью наделить какой-то живой организм свойствами, ему нехарактерными, усилить проявление каких-то существующих свойств или исключить их. Это происходит за счет внедрения новых или исключения старых генов из ДНК организма.

К примеру, таким образом был выведен особый сорт картофеля, устойчивого к колорадскому жуку. Для этого в геном картофеля был введен ген почвенной тюрингской бациллы Bacillus thuringiensis, которая вырабатывает особый белок, губительный для колорадского жука, но безвредный для человека. Применение генной инженерии для изменения свойств растений, как правило, делается как раз для повышения их устойчивости перед вредителями, неблагоприятными условиями среды, улучшения их вкусовых и ростовых качеств. Вмешательство в геном животных используется для ускорения их роста и повышения продуктивности. В продуктах сельского хозяйства таким образом также искусственно повышается количество незаменимых аминокислот и витаминов, а также их питательная ценность.

Количество аргументов за использование ГМП значительно превосходит возможные аргументы против. Так, сторонники ГМП ссылаются в частности на высокий уровень контроля качества всех генетически модифицированных продуктов (ГМП). За двадцатилетнюю историю использования этих продуктов в разных странах мира не было выявлено ни одного факта их отрицательного воздействия на здоровье человека, что нельзя сказать о продуктах традиционного сельского хозяйства, в котором неизбежно применение разного рода удобрений, многие из которых признаны вредными для человека. Более того, селекция, которая используется в сельском хозяйстве на протяжении веков, по сути, преследует целью ту же генную модификацию организмов, только осуществляет это за значительно больший период времени. Генная инженерия просто способна привнести необходимые изменения в организм за короткий срок, а потому использование ГМП не опаснее, чем использование любых других продуктов, выведенных методом классической селекции.

Противники использования генной инженерии в сельском хозяйстве апеллируют к недостаточности исследований безопасности ГМП (однако этот вопрос постоянно продолжает исследоваться), а также к тому факту, что ГМО иногда становятся причиной исчезновения отдельных видов. К примеру, одичавшие генетически модифицированные организмы могут вытеснить популяции диких видов за счет большей приспособленности к неблагоприятным условиям окружающей среды.

3.2. Фармацевтика и медицина.

Производство и применение вакцин против вирусных заболеваний позволили медиками ликвидировать полностью эпидемии чумы и оспы, от которых раньше умирали миллионы людей. Метод генной инженерии, в отличие от других методов, позволяет получить абсолютно безвредную (не содержащую инфекционного начала) вакцину. Ведутся также работы по производству вакцин от гриппа, гепатита и других вирусных заболеваний человека.

Услугами генной инженерии особенно успешно пользуются фармацевты, для которых этот метод дает сравнительно дешевые, но жизненно необходимые гормоны, такие как инсулин, интерферон, гормоны роста и другие, имеющие белковую природу. По заказу фармацевтов генными инженерами налажено производство человеческого гормона инсулина (вместо ранее применяемого животного инсулина), играющего важную роль в борьбе с сахарным диабетом. Методом генной инженерии получают также достаточно дешевый и чистый человеческий интерферон - белок, обладающий универсальным антивирусным действием, антиген вируса гепатита В.

В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин. Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока. Для получения 100 г кристаллического инсулина требуется 800-1000 кг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200 - 250 грамм. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков. В 1978 году исследователи из компании «Генентек» впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки. Инсулин состоит из двух полипептидных цепей А и В длиной 20 и 30 аминокислот. При соединении их дисульфидными связями образуется нативный двухцепочечный инсулин. Было показано, что он не содержит белков E. coli, эндотоксинов и других примесей, не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него не отличается. Впоследствии в клетках E. coli был осуществлен синтез проинсулина, для чего на матрице РНК с помощью обратной транскриптазы синтезировали ее ДНК-копию. После очистки полученного проинсулина его расщепили и получили нативный инсулин, при этом этапы экстракции и выделения гормона были сведены к минимуму. Из 1000 литров культуральной жидкости можно получать до 200 граммов гормона, что эквивалентно количеству инсулина, выделяемого из 1600 кг поджелудочной железы свиньи или коровы.

Соматотропин - гормон роста человека, секретируемый гипофизом. Недостаток этого гормона приводит к гипофизарной карликовости. Если вводить соматотропин в дозах 10 мг на кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его недостатка, может подрасти на 6 см. Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4 - 6 мг соматотропина в пересчете на конечный фармацевтический препарат. Таким образом, доступные количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим способом, был неоднороден и мог содержать медленно развивающиеся вирусы. Компания «Genentec» в 1980 году разработала технологию производства соматотропина с помощью бактерий, который был лишен перечисленных недостатков. В 1982 году гормон роста человека был получен в культуре E. coli и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР. При производстве интерферона используют как E. coli, S. cerevisae (дрожжи), так и культуру фибробластов или трансформированных лейкоцитов. Аналогичными методами получают также безопасные и дешевые вакцины.

Практическое применение. Теперь умеют уже синтезировать гены, и с помощью таких синтезированных генов, введенных в бактерии, получают ряд веществ, в частности гормоны и интерферон. Их производство составило важную отрасль биотехнологии. Интерферон - белок, синтезируемый организмом в ответ на вирусную инфекцию, изучают сейчас как возможное средство лечения рака и СПИДа. Понадобились бы тысячи литров крови человека, чтобы получить такое количество интерферона, какое дает всего один литр бактериальной культуры. Ясно, что выигрыш от массового производства этого вещества очень велик. Очень важную роль играет также получаемый на основе микробиологического синтеза инсулин, необходимый для лечения диабета. Методами генной инженерии удалось создать и ряд вакцин, которые испытываются сейчас для проверки их эффективности против вызывающего СПИД вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). С помощью рекомбинантной ДНК получают в достаточных количествах и человеческий гормон роста, единственное средство лечения редкой детской болезни - гипофизарной карликовости. Еще одно перспективное направление в медицине, связанное с рекомбинантной ДНК, - т.н. генная терапия. В этих работах, которые пока еще не вышли из экспериментальной стадии, в организм для борьбы с опухолью вводится сконструированная по методу генной инженерии копия гена, кодирующего мощный противоопухолевый фермент. Генную терапию начали применять также для борьбы с наследственными нарушениями в иммунной системе. В сельском хозяйстве удалось генетически изменить десятки продовольственных и кормовых культур. В животноводстве использование гормона роста, полученного биотехнологическим путем, позволило повысить удои молока; с помощью генетически измененного вируса создана вакцина против герпеса у свиней.

4. Клонирование.

Основой для возникновения одного из самых перспективных биомедицинских направлений в заместительной клеточной терапии - терапевтического клонирования явились два важнейших открытия конца XX века. Это, во-первых, создание клонированной овечки Долли , во-вторых, получение эмбриональных стволовых клеток (ЭСК).

Клонирование – это воспроизведение живого существа его неполовых (соматических) клеток. Клонирование органов и ней – важнейшая задача в области трансплантологии, травматологии и других областях медицины и биологии. При пересадке клонированных органов не возникают реакции отторжения и отсутствуют возможные неблагоприятные последствия (например, рак, развивающийся на фоне иммунодефицита). Клонированные органы – это спасение для людей, попавших в автомобильные аварии или иные катастрофы, а также нуждающихся в радикальной помощи вследствие каких-либо заболеваний. Клонирование может дать бездетным людям возможно, иметь своих собственных детей, помочь людям, страдающим тяжелыми генетическими заболеваниями. Так, если гены, определяющие какое-либо наследственное заболевание, содержатся в хромосомах то в яйцеклетку матери пересаживается ядро ее собственной соматической клетки, тогда появится ребенок, лишенный опасных генов, копия матери. Если эти гены содержатся в хромосомах матери, в ее яйцеклетку будет перемещено ядро соматической клетки отца и появится здоровый ребенок, копия отца. Дальнейший прогресс человечества во многом связан с развитием биотехнологии. Вместе с тем необходимо учитывать, что неконтролируемое распространение генно-инженерных живых организмов и продуктов может нарушить биологический баланс в природе и представлять угрозу здоровью человека.

Клонирование целого организма называется репродуктивным. В этом направлении до сих пор ведутся исследования, однако есть и определенные успехи.

Широко известен случай клонирования в Великобритании овцы Долли. Этот эксперимент по клонированию млекопитающего был поставлен группой ученых, возглавляемой Яном Вилмутом. Тогда в 277 яйцеклеток были перенесены ядра, взятые из вымени животного-донора. Из них образовалось 29 эмбрионов, один из которых выжил. Долли родилась 5 июля 1996 года и стала первым млекопитающим, чье клонирование прошло успешно. Клонированное животное прожило 6,5 лет и умерло 14 февраля 2003 от прогрессирующего заболевания лёгких, вызванного ретровирусом. Сообщается, что это распространенное заболевание у овец, которые содержатся в закрытом помещении, а Долли из соображений безопасности практически не выводили пастись.

Существуют некоторые заблуждения в представлениях о клонировании. Так клонирование человека или животного однозначно не способно повторить сознание. Клонированный индивид не будет наделен разумом исходного организма, он будет нуждаться в воспитании, образовании и т.д. Более того, спорным является и вопрос полной внешней идентичности клона. Как правило, клон не является полной копией оригинала, т.к. при клонировании копируется только генотип, что не означает однозначное повторение фенотипа организма. Фенотип формируется на основе определенных генетических данных, однако условия, в которых будет выращиваться клон, способны некоторым образом повлиять на его развитие: рост, вес, телосложение, некоторые особенности умственного развития.

В большинстве стран мира любые работы по репродуктивному клонированию человека запрещены. Такое клонирование человека встречается с еще большими этическими, религиозными и юридическими проблемами, чем терапевтическое. В принципе, определенного мнения общественности на этот счет не существует, ровно как и крупнейшие мировые религии не способны дать этому явлению однозначную оценку, ибо это выходит за рамки их классических учений, а потому требует аргументации. Появляются также некоторые юридические сложности, вроде вопросов отцовства, материнства, наследования, брака и некоторых других. Развитие клонирования небезопасно также и из соображений контроля над ним, а также возможной утечки технологии в криминальные и террористические круги. Отдельную обеспокоенность вызывает высокий процент неудач при клонировании, что являет опасность появления людей-уродов.

4.1 Состояние исследований по терапевтическому клонированию в России.

Несмотря на бум по поводу больших возможностей ЭСК в лечении различных заболеваний, работы по терапевтическому клонированию в России пока практически не ведутся. В первую очередь это объясняется отсутствием законодательной базы для проведения исследований с использованием овоцитов и эмбрионов человека. С принятием таких законов для России существует реальная возможность очень быстрого развития терапевтического клонирования. В нашей стране имеются эффективные клеточные технологии получения реконструированных эмбрионов методом трансплантации ядер. По-существу, основы современных технологий переноса ядер соматических клеток, сочетающие микрохирургию и электрослияние были разработаны впервые у нас в 80-х годах прошлого столетия . Также имеются эффективные технологии получения линий человеческих ЭСК .

Реализовывать задачи терапевтического клонирования возможно на основе центров репродукции, которые помимо их прямого предназначения, могут стать центрами по получению линий ЭСК, в первую очередь, непосредственно для женщин - пациенток данного центра и любых членов их семей. Можно ожидать, что с развитием терапевтических технологий получение собственных ЭСК станет доступно каждому человеку. Необходимо осуществлять тесное сотрудничество центров репродукции с соответствующими научно-исследовательскими лабораториями, ориентированными на решение фундаментальных проблем и на разработку новых технологий. К подобным технологиям можно отнести реконструкцию эмбрионов с применением неинвазивных оптико-лазерных приемов микроманипулирования в целях терапевтического клонирования

5. Проблемы генной инженерии.

Генная инженерия – это абсолютно новая технология, разрушающая фундаментальные генетические барьеры не только между видами, но и между людьми, животными и растениями. Объединяя гены непохожих и не состоящих в родстве видов, навсегда изменяя их генетические коды, создаются новые организмы, которые будут передавать генетические изменения своим потомкам по наследству. Сегодня ученые способны вырезать, вставлять, рекомбинировать, трансформировать, редактировать и программировать генетический материал. Животные и даже человеческие гены добавляются растениям или животным, порождая невообразимые трансгенные жизненные формы. В первый раз в истории человеческие существа стали архитекторами жизни. Биоинженеры смогут создать десятки тысяч новых организмов в течение нескольких ближайших лет. Перспективы устрашающие. Генная инженерия поднимает беспрецедентные этические и социальные вопросы, а также ставит под угрозу благополучие окружающей среды, здоровья людей и животных и будущее сельского хозяйства. Далее описываются лишь некоторые из проблем, связанных с генной инженерией:

Генетически измененные организмы, которые сбегут или будут выпущены из лаборатории, могут вызвать разрушение окружающей среды. Генетически созданные «биологические загрязнители» потенциально могут быть более деструктивными, чем даже химические загрязняющие вещества. Поскольку они живые, генетически измененные продукты по своему существу более непредсказуемы, чем химические, – они могут размножаться, мигрировать и мутировать. Стоит однажды выпустить эти генетически измененные организмы в среду, их уже будет практически невозможно вернуть обратно в лабораторию. Многие ученые предупреждают, что выпуск таких организмов во внешнюю среду может привести к необратимым разрушительным последствиям для экологии.

Генетические изменения, вероятно, приведут к непредвиденным результатам и опасным сюрпризам. Биотехнология – это неточная наука, и ученые никогда не смогут гарантировать успех на 100 процентов. В практике случались серьезные случаи. Исследователи, проводившие эксперименты в университете штата Мичиган, недавно выяснили, что генетически измененные растения, устойчивые перед вирусами, могут вызывать мутацию вирусов в новые более опасные формы или формы, которые способны атаковать другие виды растений. Иные устрашающие сценарии: инородные гены генетически измененных растений могут быть перенесены вместе с пыльцой, насекомыми, ветром или дождем на другие культуры, а также дикие и сорные растения. Может случиться беда, если свойства генетически измененных культур, такие как устойчивость перед вирусами или насекомыми, получат сорняки, например. Генетически измененные растения способны производить токсины и другие вещества, которые могут нанести вред птицам и другим животным. Генная инженерия растений и животных практически определенно подвергнет опасности виды и уменьшит биологическое разнообразие. В силу своих «превосходных» генов, некоторые из ГИ растений и животных неизбежно выйдут из-под контроля, покоряя дикие виды. Так уже происходило при ввозе в страну экзотических видов, например, в Северной Америке возникали проблемы с голландской болезнью вязов и пуерарией вьющейся. Что случится с дикими видами, например, когда ученые выпустят в среду карпа, лосося или форель в два раза большую и съедающую в два раза больше еды, чем ее дикие сородичи? Другая опасность лежит в создании новых видов сельскохозяйственных культур и домашних животных. После того, как ученые создадут то, что будет названо «идеальным помидором» или «идеальной курицей», их начнут воспроизводить в больших количествах; «менее желательные» виды будут оставлены у обочины. «Идеальные» животные и растения будут затем клонированы (воспроизведены как точные генетические копии), еще больше сокращая базу доступных генов на планете.

Генетическое изменение сельскохозяйственных культур и животных может спровоцировать развитие токсических и аллергических реакций у людей. Человек, имеющий аллергию на орехи или моллюски, например, не будет иметь возможности узнать, не был ли помидор или другой продукт изменен с добавлением белков продуктов-аллергенов, а потому потребление данных ГИ продуктов может привести к фатальным последствиям. Кроме того, генные инженеры могут взять белок бактерии, найденной в почве, океане – где угодно – и добавить его в человеческую еду. Такие вещества никогда не добавлялись в пищу ранее, поэтому сведений об их токсичности и аллергенности нет.

Известны случаи, когда генетически измененные продукты приносили вред людям. В 1989 и 1990 годах генетически созданный Л-триптофан, распространенная пищевая добавка, убил более 30 американцев и надолго вывел из строя более 5000 человек, поразив потенциально смертельным и болезненным заболеванием крови, синдромом эозинофилии-миалгии, прежде чем был запрещен. Производитель «Showa Denko K.K.», третья по величине в Японии химическая компания, использовала генетически измененную бактерию для создания этой добавки, продававшейся без рецепта. Считается, что бактерия как-то была заражена в процессе рекомбинации ДНК. На продуктах не ставится указаний о том, что он был генетически изменен. Патентование ГИ-продуктов и широкое распространение производства продуктов биотехнологий уничтожит фермерство, каким оно известно с древнейших времен. Если эту тенденцию не остановить, патентование трансгенных растений и животных мясо-молочной отрасли вскоре приведет к развитию земледелия на основе аренды, когда фермеры будут брать в аренду растения и животных у биотехнологических конгломератов и платить за семена и потомство. В конечном счете, в течение следующих нескольких десятилетий, сельское хозяйство будет стерто с лица земли и перейдет под контроль промышленных фабрик биосинтеза, контролируемых химическими и биотехнологическими компаниями. Никогда больше люди не насладятся натуральными свежими продуктами. Сотни миллионов фермеров и других работников по всему миру потеряют свои заработки. Устойчивая сельскохозяйственная система будет разрушена.

Генетическое изменение и патентование животных снизит статус живых существ до производственных продуктов и приведет к еще большим страданиям. В январе 1994 года было объявлено о том, что выяснена полная карта генома коров и свиней, что предшествовало дальнейшему развитию экспериментов над животными. В дополнение к изначальной жестокости подобных экспериментов (ошибочные экземпляры рождались с болезненными дефектами, хромыми, слепыми и т.д.), эти «производственные» создания не имели большего значения для их «создателей», чем механические изобретения. Животные, генетически созданные для использования в лабораториях, такие как печально известная «гарвардская мышь», которая имела человеческий ген, вызывающий рак, который передавался всем последующим поколениям, были созданы для страданий. Чисто редукционистская наука, биотехнология снижает значимость жизни до частиц информации (генетического кода), которые можно разбирать и собирать так, как заблагорассудится. Лишенные своей неповторимости и сокровенности, животные, которые являются просто объектами для своих «изобретателей», будут рассматриваться как таковые. В настоящее время ожидают одобрения патенты на более 200 генетически измененных «причудливых» животных.

Никогда генетически созданные организмы не проверялись адекватно или должным образом на предмет безопасности. На сегодняшний день не существует соответствующей правительственной организации, созданной для работы с этим радикально новым классом существ, потенциально несущих огромные угрозы здоровью и окружающей среде. Политика Управления по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными средствами США в отношении генетически измененных продуктов иллюстрирует проблему. В мае 1992 года в этой стране была разработана новая политика в отношении биотехнологических продуктов: генетически измененные продукты не будут рассматриваться отдельно от натуральных; они не будут тестироваться на безопасность; они не будут содержать этикетки, указывающей, что они были генетически изменены; американское правительство не будет отслеживать ГИ-продукты. В результате ни правительство, ни потребители не будут знать, какие цельные или обработанные продукты были генетически изменены. Вегетарианцы и люди, исключающие определенные продукты из рациона в связи с религиозными убеждениями, столкнутся с перспективной невольного потребления овощей и фруктов, содержащих генетический материал животных и даже людей. А последствия для здоровья будут выяснены только путем проб и ошибок – потребителями.

Патентуя открытые ими гены и живые организмы, небольшая корпоративная элита вскоре будет контролировать все генетическое наследие планеты. Ученые, которые «открывают» гены и способы манипулирования ими, могут получать патенты – и, таким образом, право владения – не только на технологии генетических изменений, но и на сами гены. Химические, фармацевтические и биотехнологолические компании, такие как «DuPont», «Upjohn», «Bayer», «Dow», «Monsanto», «Cib-Geigy» и «Rhone-Poulenc», срочно пытаются определить и запатентовать гены растений, животных и людей, чтобы совершить полный захват отраслей сельского хозяйства, животноводства и производства пищевых продуктов. Это те же компании, что когда-то обещали беззаботную жизнь с пестицидами и пластиком. Можно ли доверять их планам на будущее?

Изучение генома человека может привести к рассекречиванию личной информации и новым уровням дискриминации. Некоторым людям уже отказывают в медицинском страховании на основании «плохих» генов. Не будут ли требовать генного сканирования работодатели, и не откажут ли они своим работникам от места на основании его результатов? Не получит ли правительство доступ к нашим личным генетическим профилям? Легко можно представить новый уровень дискриминации, направленной против тех, чьи генетически профили указывают, что они, например, менее умны или предрасположены к появлению определенных заболеваний.

Генная инженерия уже использовалась для «улучшения» человеческой расы,– практика под названием евгеника. Генное сканирование уже позволяет нам выяснять, не носит ли плод гены определенных наследственных заболеваний. Не начнем ли мы в ближайшем будущем избавляться от плодов на основании не угрожающих жизни дефектов, таких как миопия, предрасположенность к гомосексуальности, или по чисто косметическим причинам? Исследователи Университета Пенсильвании подали заявку на патент ГИ клеток спермы животных с тем, чтобы свойства, передаваемые одним поколением следующему, можно было изменять; это предполагает, что подобное возможно и в отношении людей. Переход от животной евгеники к человеческой – всего лишь один небольшой шаг. Все хотят лучшего для своих детей, но где мы остановимся? По неосторожности мы вскоре можем повторить усилия нацистов по созданию «совершенной» расы.

Вооруженные силы США создают арсенал генетически измененного биологического оружия. Хотя создание биологического оружия для наступления было объявлено незаконным в соответствии с международными договорами, США продолжает разрабатывать такое оружие в целях защиты. Однако генетически измененные биологические агенты идентичны, используются ли они для защиты или нападения. Области исследования подобного оружия включают следующие: бактерия, устойчивая ко всем антибиотикам; более устойчивые и опасные бактерии и вирусы, которые живут дольше и убивают быстрее, а также новые организмы, которые могут аннулировать действие вакцины или снизить природную сопротивляемость людей и растений. Также исследовались возможности разработки патогенных микроорганизмов, которые могут нарушать гормональный баланс человека достаточно, чтобы вызывать смерть, и трансформации безвредных бактерий (таких как те, что имеются в кишечнике человека) в убийц. Некоторые специалисты уверены, что также разрабатываются ГИ патогенные микроорганизмы, которые нацелены на определенные расовые группы.

Не все ученые оптимистично настроены в отношении генной инженерии. Среди скептиков Ирвин Чаргофф, выдающийся биохимик, которого часто называют отцом молекулярной биологии. Он предупреждает, что не все инновации приводят к «прогрессу». Чаргофф однажды назвал генную инженерию «молекулярным Аушвицем» и предупредил, что технология генной инженерии ставит мир под большую угрозу, чем приход ядерной технологии. «Я чувствую, что наука преступила барьер, который должен оставаться ненарушенным», – писал он в своей автобиографии. Отмечая «ужасающую необратимость» планируемых экспериментов генной инженерии, Чаргофф предупреждал, что «… вы не можете отменить новую форму жизни… она вас переживет, и ваших детей, и детей ваших детей. Необратимая атака на биосферу – это что-то столь неслыханное, столь невообразимое для предыдущих поколений, что я могу лишь пожелать, чтобы я не был в этом повинен».

5. Заключение

Общественное мнение. Несмотря на явную пользу от генетических исследований и экспериментов, само понятие «генная инженерия» породило различные подозрения и страхи, стало предметом озабоченности и даже политических споров. Многие опасаются, например, что какой-нибудь вирус, вызывающий рак у человека, будет введен в бактерию, обычно живущую в теле или на коже человека, и тогда эта бактерия будет вызывать рак. Возможно также, что плазмиду, несущую ген устойчивости к лекарственным препаратам, введут в пневмококк, в результате чего пневмококк станет устойчивым к антибиотикам и пневмония не будет поддаваться лечению. Такого рода опасности, несомненно, существуют. Генетические исследования ведутся серьезными и ответственными учеными, а методы, позволяющие свести к минимуму возможность случайного распространения потенциально опасных микробов, все время совершенствуются. Оценивая возможные опасности, которые эти исследования в себе таят, следует сопоставлять их с подлинными трагедиями, вызванными недоеданием и болезнями, губящими и калечащими людей.

Генная инженерия является одной из наиболее активно развивающихся и перспективных технологий нашего времени, которая в будущем сможет решить многие вопросы медицины и не только. Мое личное мнение по большинству спорных вопросов генной инженерии склоняется в сторону разрешения исследований и применения этих технологий.

На мой взгляд, генетическая модификация организмов при разумном контроле над этим процессом, способна решить некоторые серьезные проблемы современности. В частности, применения генной модификации в медицине с целью лечения различных заболеваний мне кажется положительным явлением, не вызывающим никаких нареканий на данном этапе развития науки.

Что касается применения генетической модификации в сельском хозяйстве и распространении генно-модифицированных продуктов, то, на мой взгляд, их гипотетическая опасность для здоровья человека фактически не подтверждается. Мне кажется, что если стандартные исследования по безопасности этих продуктов говорят о том, что их использование возможно, то они не нуждаются в каких-либо дополнительных исследованиях. ГМО в данном случае нужно рассматривать как некий новый вид растения или продукта и при условии, что он отвечает всем стандартным нормам безопасности продуктов питания, его использование следует однозначно разрешать. Также я разделяю ту точку зрения, что ГМП ввиду особого контроля к ним, улучшения их свойств на генном уровне и отсутствия необходимости применения различных вредных для человека удобрений при выращивании могут быть даже более безопасными, чем обычные продукты сельского хозяйства.

Вопросы клонирования представляют серьезные этические проблемы, когда вопрос заходит о клонировании человека. На данном этапе доводы о необходимости репродуктивного клонирования людей, на мой взгляд, недостаточно убедительны, а потому запрет на репродуктивное клонирование мне кажется обоснованным. Однако это не означает, что все исследования в данной области следует прекратить, ведь в том случае, если наука сможет дать большую вероятность выживания клонов, а общественность сможет решить другие спорные вопросы, репродуктивное клонирование вполне может быть разрешено.

Вопрос терапевтического клонирования также достаточно сложен, ведь для получения стволовых клеток необходимо остановить развитие эмбриона, который в принципе может развиться в ребенка. Мне кажется, что эта этическая проблема в некотором роде близка проблеме абортов. Однако с учетом всех обстоятельств, я склонен выступать за разрешение терапевтического клонирования, т.к. это способно спасти жизнь человека ценой возможной жизни, прерванной на этапе зарождения.

Что же касается самого изучения и исследования вопросов клонирования, в частности вопросов репродуктивного клонирования животных, на мой взгляд, оно должно быть разрешено, так как запрещать его неразумно в контексте использования животных в любых других видах лабораторных исследований.

Список используемой литературы.

1. Бочкарёв А. И. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов / А. И. Бочкарёв, Т. С. Бочкарёва, С. В. Саксонов; под ред. проф. А. И. Бочкарёва. – Тольятти: ТГУС, 2008. – 386 с.

2. Г96Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания: Учебник. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2007. - 540 с.

- это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.

Возможности биотехнологии необычайно велики благодаря тому, что ее методы выгоднее обычных: они используются при оптимальных условиях (температуре и давлении), более производительны, экологически чисты и не требуют химических реактивов, отравляющих среду и др.

Объекты биотехнологии: многочисленные представители групп живых организмов - микроорганизмы (вирусы, бактерии, протисты, дрожжи и др.}, растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные структуры (органеллы). Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.

Главные направления биотехнологии :

1) производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормональных препаратов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также белков, аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок;

2) применение биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы и т. и.) и для защиты растений от вредителей и болезней;

3) создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т. п.

Задачи, методы и достижения биотехнологии.

Человечеству необходимо научиться эффективно изменять наследственную природу живых организмов, чтобы обеспечить себя доброкачественной пищей и сырьем и при этом не привести планету к экологической катастрофе. Поэтому не случайно главной задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной и клеточной инженерии.

Генная (генетическая) инженерия -

раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых молекул ДНК, способных размножаться в клетке-хозяине и осуществлять контроль за синтезом необходимых метаболитов клетки.

Возникнув на стыке химии нуклеиновых кислот и генетики микроорганизмов, генная инженерия занимается расшифровкой структуры генов, их синтезом и клонированием, вставкой выделенных из клеток живых организмов или вновь синтезированных генов в клетки растений и животных с целью направленного изменения их наследственных свойств.

Для осуществления переноса генов (или трансгенеза) от одного вида организмов в другой, часто очень далекий по своему происхождению, необходимо выполнить несколько сложных операций :

выделение генов (отдельных фрагментов ДНК) из клеток бактерий, растений или животных. В отдельных случаях эту операцию заменяют искусственным синтезом нужных генов;

соединение (сшивание) отдельных фрагментов ДНК любого происхождения в единую молекулу в составе плазмиды;

введение гибридной плазмидной ДНК , содержащей нужный ген, в клетки хозяина;

копирование (клонирование) этого гена в новом хозяине с обеспечением его работы.

Клонированные гены путем микроинъекции вводят в яйцеклетку млекопитающих или протопласты растений (изолированные клетки, лишенные клеточной стенки) и из них выращивают целых животных или растения, в геном которых встроены (интегрированы) клонированные гены. Растения и животные, геном которых изменен путем генноинженерных операций, получили название трансгенных растений или трансгенных животных.

Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека, а также трансгенные растения с генами других, неродственных видов. Трансгенные организмы свидетельствуют о больших возможностях генной инженерии как прикладной ветви молекулярной генетики (например, получено новое поколение трансгенных растений, для которых характерны такие ценные признаки, как устойчивость к гербицидам, к насекомым и др.).

На сегодняшний день методы генной инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин, интерферон и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения ряда генетических болезней человека - сахарного диабета, некоторых видов злокачественных образований, карликовости,

С помощью генетических методов были получены также штаммы микроогранизмов (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans и др.), которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов (С, В 3 , В 13 , и др.), чем исходные формы.

Клеточная инженерия -

совокупность методов, используемых для конструирования новых клеток. Включает культивирование и клонирование клеток на специально подобранных средах, гибридизацию клеток, пересадку клеточных ядер и другие микрохирургические операции по «разборке» и «сборке» (реконструкции) жизнеспособных клеток из отдельных фрагментов.

В основе клеточной инженерии лежит использование методов культивирования изолированных клеток и тканей на искусственной питательной среде в регулируемых условиях. Это стало возможным благодаря способности растительных клеток в результате регенерации формировать целое растение из единичной клетки. Условия регенерации разработаны для многих культурных растений - картофеля, пшеницы, ячменя, кукурузы, томатов и др. Работа с этими объектами делает возможным использование в селекции нетрадиционных методов клеточной инженерии - соматической гибридизации, гаплоидии, клеточной селекции, преодоления нескрещиваемости в культуре и др.

Клонирование -

метод получения нескольких идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Таким способом на протяжении миллионов лет размножаются в природе многие виды растений и животных. Однако сейчас термин "клонирование" обычно используется в более узком смысле и означает копирование клеток, генов, антител и даже многоклеточных организмов в лабораторных условиях. Появившиеся в результате бесполого размножения экземпляры по определению генетически одинаковы, однако и у них можно наблюдать наследственную изменчивость, обусловленную случайными мутациями или создаваемую искусственно лабораторными методами.

Тематические задания

А1. Производством лекарств, гормонов и других биологических веществ занимается такое направление, как

1) генная инженерия

2) биотехнологическое производство

3) сельскохозяйственная промышленность

4) агрономия

А2. В каком случае метод культуры тканей окажется наиболее полезным?

1) при получении гибрида яблони и груши

2) при выведении чистых линий гладкосемянного гороха

3) при необходимости пересадить кожу человеку при ожоге

4) при получении полиплоидных форм капусты и редьки

А3. Для того чтобы искусственно получать человеческий инсулин методами генной инженерии в промышленных масштабах, необходимо

1) ввести ген, отвечающий за синтез инсулина в бактерии, которые начнут синтезировать человеческий инсулин

2) ввести бактериальный инсулин в организм человека

3) искусственно синтезировать инсулин в биохимической лаборатории

4) выращивать культуру клеток поджелудочной железы человека, отвечающей за синтез инсулина.

Биотехнология - это сознательное производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов и биологических процессов.

С незапамятных времен биотехнология применялась преимущественно в пищевой и легкой промышленности: в виноделии, хлебопечении, сбраживании молочных продуктов, при обработке льна и кож, основанных на применении микроорганизмов. В последние десятилетия возможности биотехнологии необычайно расширились. Это связано с тем, что ее методы выгоднее Обычных по той простой причине, что в живых организмах биохимические реакции, катализируемые ферментами, идут при оптимальных условиях (температуре и давлении), более производительны, экологически чисты и не требуют химических реактивов, отравляющих среду.

Объектами биотехнологии являются многочисленные представители групп живых организмов - микроорганизмы (вирусы, бактерии, простейшие, дрожжевые грибы), растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные компоненты (органеллы) и даже ферменты. Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.

Главным направлением биотехнологии является производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферменты, витамины, гормоны), лекарственных препаратов (антибиотики, вакцины, сыворотки, высокоспецифичные антитела и др.), а также ценных соединений (кормовые добавки, например, незаменимые аминокислоты, кормовые белки и т. д.). Методы генетической инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения генетических болезней человека.

Одним из важнейших направлений современной биотехнологии является также использование биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязненной почвы и т. п.).

Так, для извлечения металлов из сточных вод могут широко использоваться штаммы бактерий, способные накапливать уран, медь, кобальт. Другие бактерии родов Rhodococcus и Nocardia с успехом применяют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти. Ассимилируя углеводороды нефти, такие микроорганизмы преобразуют их в белки, витамины из группы В и каротины.

Некоторые из штаммов галобактерий с успехом применяют для удаления мазута с песчаных пляжей. Получены также генно-инженерные штаммы, способные расщеплять октан, камфару, нафталин, ксилол, эффективно утилизировать сырую нефть.

Большое значение имеет использование методов биотехнологии для защиты растений от вредителей и болезней.

Биотехнология проникает в тяжелую промышленность, где микроорганизмы используются для добычи, превращения и переработки природных ископаемых. Уже в древности первые металлурги получали железо из болотных руд, производимых железобактериями, которые способны концентрировать железо. Теперь разработаны способы бактериальной концентрации ряда других денных металлов: марганца, цинка, меди, хрома и др. Эти методы используются для разработки отвалов старых рудников и бедных месторождений, где традиционные методы добычи экономически невыгодны.

Генетическая инженерия - один из важнейших методов биотехнологии. Она предполагает целенаправленное искусственное создание определенных комбинаций генетического материала, способных нормально функционировать в клетке, т. е. размножаться и контролировать синтез конечных продуктов. Можно выделить несколько разновидностей метода генетической инженерии в зависимости от уровня и особенностей его использования.

Генетическая инженерия используется в основном на прокариотах и микроорганизмах, хотя в последнее время начала применяться и на высших эукариотах (например, на растениях). Этот метод включает выделение из клеток отдельных генов или синтез генов вне клеток (например, на основе матричной РНК, синтезированной данным геном), направленную перестройку, копирование и размножение выделенных или синтезированных генов (клонирование генов), а также их перенос и включение в подлежащий изменению геном. Таким путем можно добиться включения в клетки бактерий «чужих» генов и синтеза бактериями важных для человека соединений. Благодаря этому в геном кишечной палочки удалось ввести ген синтеза инсулина из генома человека. Инсулин, синтезированный бактериями, используется для лечения больных сахарным диабетом.

Развитие генетической инженерии стало возможным благодаря открытию двух ферментов - рестриктаз, разрезающих молекулу ДНК в строго определенных участках, и лигаз, сшивающих кусочки различных молекул ДНК друг с другом. Кроме того, в основе генетической инженерии лежит открытие векторов, которые представляют собой короткие, самостоятельно размножающиеся в клетках бактерий кольцевые молекулы ДНК. С помощью рестриктаз и лигаз в векторы и встраивают необходимый ген, добиваясь впоследствии его включения в геном клетки-хозяина.

Клеточная инженерия - это метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. Она базируется на использовании методов культуры клеток и тканей. Выделяются два направления клеточной инженерии: 1) использование клеток, переведенных в культуру, для синтеза различных полезных для человека соединений; 2) применение культивируемых клеток для получения из них растений-регенерантов.

Растительные клетки в культуре - это важный источник ценнейших природных веществ, так как они сохраняют способность синтезировать свойственные им вещества: алкалоиды, эфирные масла, смолы, биологически активные соединения. Так, переведенные в культуру клетки женьшеня продолжают синтезировать, как и в составе целостного растения, ценное лекарственное сырье. Причем, в культуре с клетками и их геномами можно проводить любые манипуляции. Используя индуцированный мутагенез, можно повышать продуктивность штаммов культивируемых клеток и проводить их гибридизацию (в том числе и отдаленную) гораздо легче и проще, чем на уровне целостного организма. Кроме этого, с ними, как и с прокариотическими клетками, можно проводить генно-инженерные работы.

Путем гибридизации лимфоцитов (клеток, синтезирующих антитела, но неохотно и недолго растущих в культуре) с опухолевыми клетками, обладающими потенциальным бессмертием и способными к неограниченному росту в искусственной среде, решена одна из важнейших задач биотехнологии на современном этапе - получены клетки гибридомы, способные к бесконечному синтезу высокоспецифических антител определенного типа.

Таким образом, клеточная инженерия позволяет конструировать клетки нового типа с помощью мутационного процесса, гибридизации и, более того, комбинировать отдельные фрагменты разных клеток (ядра, митохондрии, пластиды, цитоплазму, хромосомы и т. д.), клетки различных видов, относящиеся не только к разным родам, семействам, но и царствам. Это облегчает решение многих теоретических проблем и имеет практическое значение.

Клеточная инженерия широко используется в селекции растений. Выведены гибриды томата и картофеля, яблони и вишни. Регенерированные из таких клеток растения с измененной наследственностью позволяют синтезировать новые формы, сорта, обладающие полезными свойствами и устойчивые к неблагоприятным условиям среды и болезням. Этот метод широко используется и для «спасения» ценных сортов, пораженных вирусными болезнями. Из их ростков в культуре выделяют несколько верхушечных клеток, еще не пораженных вирусом, и добиваются регенерации из них здоровых растений сначала в пробирке, а затем пересаживают в почву и размножают.

Клеточная инженерия

Клеточная инженерия – выращивание клеток вне организма на специальных питательных средах, где они растут и размножаются, образуя культуру ткани. Это метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. Клеточная реконструкция связана с созданием жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток (ядра, цитоплазмы, хромосом и др.). С помощью клеточной инженерии удается соединять геномы весьма далеких видов. Показана принципиальная возможность слияния соматических клеток животных с клетками растений. Изучение гибридных клеток позволяет решать многие теоретические проблемы биологии и медицины: выяснить взаимные влияния ядра и цитоплазмы; механизмы клеточной дифференцировки и регуляции клеточного размножения, превращения нормальной клеток в раковую и т.д.

При гибридизации искусственно объединяют целые клетки (протопласты клеток) с образованием гибридного генома . С помощью ферментов или ультразвука удаляют клеточные стенки растительных клеток и соединяют «голые» протопласты клеток. После этого клеточные стенки восстанавливаются, и образуют каллус – неорганизованная клеточная масса, вызывая дифференциацию клеток которой получают целое гибридное растение.

Клеточная инженерия широко применяется в биотехнологии, например, использование гибридов (гибридных клеток) для получения моноклональных антител. На основе генетически измененных клеток возможно создание новых форм растений, обладающих полезными признаками и устойчивых к благоприятным условиям среды и болезням.

Генная инженерия – искусственная перестройка генома. Раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием in vito (в пробирке) новых комбинаций генетического материала, способного размножаться в клетке-хозяине и синтезировать продукты обмена веществ. Сопровождаться искусственным переносом нужных генов от одного вида живых организмов (бактерий, растений, животных) к другому, зачастую далекому по происхождению. Современные генные технологии используют для генотерапии, т.е. лечения наследственных болезней путем введения человеку «здоровых» генов.

Высшим достижением современной биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных генов и других материальных носителей наследственности в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать коренные задачи селекции биологических объектов на устойчивость, высокую продуктивность и качество продукции при оздоровлении экологической обстановки во всех видах производств. Однако для достижения этих целей предстоит преодолеть огромные трудности в повышении эффективности генетической трансформации и прежде всего в идентификации генов, создании их банков клонирования, расшифровке механизмов полигенной детерминации признаков и свойств биологических объектов, обеспечении высокой экспрессии генов и создании надежных векторных систем. Уже сегодня во многих лабораториях мира, в том числе и в России, с помощью методов генетической инженерии созданы принципиально новые трансгенные растения, животные и микроорганизмы, получившие коммерческое признание.

Современная биотехнология

Современная биотехнология тесно стыкуется с рядом научных дисциплин, осуществляя их практическое применение или же являясь их основным инструментом (рис. 1).

Рис. 1. Связь биотехнологии с другими науками (по В.И.Кефели, 1989)

В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активным соединений. Например, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост.

Созданы перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.