6.1. Gēnu inženierija, principi, iespējas. Ar gēnu inženierijas metodēm iegūto bioloģisko aģentu pielietošanas jomas

Optimizējot jebkuru biotehnoloģisko procesu, kurā iesaistīti dzīvi organismi, galvenie centieni parasti ir vērsti uz to uzlabošanu ģenētiskās īpašības. Tradicionāli šiem nolūkiem tika izmantota mutaģenēze, kam sekoja skrīnings un piemērotu variantu atlase. Mūsdienās šajā jomā ir notikušas milzīgas pārmaiņas. Šobrīd tiek izstrādātas un pielietotas principiāli jaunas metodes, kuru pamatā ir rekombinantās DNS tehnoloģija. Ģenētiskā materiāla modifikācija tiek veikta ar dažādām metodēm: attiecīgi dzīvā organismā (in vivo) un ārpus tā (in vitro), tie ir divi virzieni - šūnu inženierija

rija un gēnu inženierija.

Izmantojot šīs metodes, ir iespējams iegūt jaunus augsti produktīvus cilvēka proteīnu un peptīdu, antigēnu, vīrusu uc ražotājus. Ģenētiskās un šūnu inženierijas attīstība noved pie tā, ka biotehnoloģiskā nozare arvien vairāk iekaro jaunas ražošanas jomas. Jaunāko biotehnoloģijas metožu rašanās pamats bija atklājumi ģenētikā, molekulārā bioloģija, ģenētiskā fermentoloģija, virusoloģija, mikrobioloģija un citas disciplīnas.

Jaunāko fundamentālo sasniegumu straujo ieviešanu praksē un to būtisko ietekmi uz biotehnoloģijai raksturīgo teorētisko pētījumu līmeni visspilgtāk parāda gēnu inženierijas attīstība.

Svarīgākais biotehnoloģijas attīstības posms bija molekulārās bioloģijas atdalīšana par neatkarīgu disciplīnu pašreizējā gadsimta vidū. Molekulārās bioloģijas rašanās kļuva iespējama, pateicoties ģenētikas, fizikas, ķīmijas, bioloģijas, matemātikas uc mijiedarbībai. E. Chargoff un Z. D. Hotchkiss, pētot DNS nukleotīdu bāzu (adenīna, guanīna, citozīna, timīna) molekulārās attiecības, atklāja. ka dažādos organismos tie ir vienādi. Šim atklājumam bija galvenā loma DNS struktūras izveidē. DNS struktūras atšifrēšanā lielu lomu spēlēja progress baktēriju un bakteriofāgu ģenētikas jomā. Tika konstatēts (A. Hershey, M. Chase, J. Lederberg, N. Zinder), kas pārvada-

ģenētiskā materiāla pārnešana) var veikt ar bakteriofāga palīdzību, un fāga DNS var spēlēt iedzimtības nesēja lomu. B. Hejs arī noskaidroja seksuālā procesa modeļus baktērijās(konjugācija) , kurā no donoru šūnām, kam F faktors (auglība), ģenētiskais materiāls tiek nodots saņēmējam

entās šūnas. J. Vatsons un F. Kriks ierosināja DNS struktūras un tās replikācijas mehānisma komplementāru modeli; Tika atklāta unikāla DNS īpašība – spēja pašatražoties (replicēties).

Pamatojoties uz molekulāro bioloģiju un mikroorganismu ģenētiku, līdz 60. gadu sākumam. veidojās molekulārā ģenētika. G. Gamovs 1954. gadā izvirzīja hipotēzi, ka katram kodonam (nukleotīdu secībai, kas kodē vienu aminoskābi) jāsastāv no trim nukleotīdiem. 1961. gadā eksperimentāli tika apstiprināts, ka proteīna primārā struktūra ir kodēta DNS kā nukleotīdu tripletu (kodonu) secība, no kuriem katrs atbilst vienai no 20 aminoskābēm. Līdz 1966. gadam bija iespējams iegūt datus par struktūru ģenētiskais kods.

Nākamais jautājums bija par to, kā informācija tiek pārnesta no DNS, kas atrodas kodolā, uz citoplazmu, kur uz ribosomām notiek olbaltumvielu sintēze. Tika konstatēts, ka DNS glabājas tripleta kodonu secība pārrakstīts(pārrakstīts) īslaicīgās iekšzemes molekulās

veidošanās RNS (mRNS). Šo DNS → mRNS stadiju sauca par trans-

transkripcija, bet mRNS → proteīna stadija – translācija . Aminoskābes pārnesi un tās atrašanās vietas noteikšanu sintezētajā proteīna molekulā veic ar pārneses RNS (tRNS) . RNS tiek sintezēta uz DNS, kā matrica, un proteīns tiek sintezēts uz RNS. Dažiem vīrusiem trūkst pirmās saites, un RNS tiem kalpo kā iedzimtības materiāls.

Gēnu aktivitātes kontroles mehānisms uz ilgu laiku palika nezināms. Lieliska vērtība bija F. Džeikoba un J. Monoda darbs, kas parādīja, ka baktērijām ir strukturālie gēni, sniedzot informāciju par noteiktu olbaltumvielu sintēzi un regulējošie gēni kas ieslēdz vai izslēdz atsevišķus gēnus vai to blokus. Tālāk izrādījās, ka gēnu regulēšana pēc šī principa notiek arī citos organismos. Ir arī citi regulējoši mehānismi.

Nākamais svarīgais solis bija darbs pie nukleotīdu secību atšifrēšanas (secība), kas sniedz informāciju par genoma reģiona primāro struktūru, kas veic noteiktas funkcijas. Struktūra un funkcijas ir ieguvušas vispārēju molekulāri bioloģisku izpausmi, tās būtība slēpjas faktā, ka funkcionālie stāvokļi izsaka strukturālas izmaiņas makromolekulās un asociācijās.

Izpētot ģenētiskā materiāla funkcionēšanas modeļus šūnā, pētnieki drīz pārgāja uz ģenētisko manipulāciju. Ir parādījusies jauna eksperimentāla tehnoloģija, kas ietver svešu gēnu ievadīšanu šūnās. Nosaukumi “ģenētiskā (vai gēnu) inženierija” vai “darbs ar rekombinanto DNS” ir līdzvērtīgi. Šīs tehnikas būtība

loģika ir DNS fragmentu atkalapvienošanā in vitro ar sekojošiem

vispārēja jaunu (“rekombinanto”) ģenētisko struktūru ieviešana dzīvā šūnā.

1972. gadā Bergs un viņa kolēģi izveidoja pirmo rekombinanto DNS molekulu, kas sastāv no OB40 vīrusa DNS fragmenta un bakteriofāga.

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

6.1 Gēnu inženierija, principi, iespējas. Pielietojuma jomas bioloģiskās. aģenti, kas iegūti ar ģenētiskām metodēm. inženierzinātnes

λ dvgal ar galaktozes operonu E. coli. Divas fermentu grupas kļuva par ģenētiskās dizaina instrumentiem: restrikcijas endonukleāzes (restrikcijas enzīmi) un ligazes. Pirmie ir nepieciešami, lai to iegūtu

native DNS fragmenti, otrs - par to savienojumu. Restrikcijas enzīmi un ligāzes kopā ar citiem enzīmiem (nukleāzēm, reverso transkriptāzi, DNS polimerāzi u.c.) nodrošina visas gēnu inženierijas manipulācijas.

E. coli plazmīdu šķeļ restrikcijas enzīms abās DNS daļās, veidojot nesapārotus nukleotīdus (TTAA vai AATT) galos. Gēnu atdala, izmantojot to pašu restrikcijas enzīmu, un galos veidojas sekvences (AATT un TTAA), kas ir komplementāras ar plazmīdu. Abas DNS (gēns un plazmīda) ir saistītas, izmantojot ligāzi. Hibrīda plazmīda tiek ievadīta E. coli, kas vairojoties veido klonu, kura visas šūnas satur rekombinanto plazmīdu un svešo gēnu. Gēns tiek klonēts baktēriju šūnā un inducē tajā proteīnu sintēzi.

In vitro gēnu inženierijas tehnika ietver vairākas secīgas procedūras (slaids):

- vēlamā gēna iegūšana;

- tā integrācija replikācijas spējīgā ģenētiskā elementā (vektorā);

- vektorā iekļautā gēna ievadīšana recipienta organisms;

- to šūnu identificēšana (skrīnings) un atlase, kuras ieguvušas vēlamo gēnu vai gēnus.

Gēnu iegūšana. Gēnus var iegūt vairākos veidos: izolēšana no DNS, ķīmiski fermentatīvā sintēze un fermentatīvā sintēze.

Gēnu izolēšana no DNS veikta, izmantojot restrikcijas enzīmus, kas katalizē DNS šķelšanos apgabalos, kuros ir noteiktas nukleotīdu sekvences (4–7 nukleotīdu pāri). Šķelšanu var veikt atpazīstama nukleotīdu pāru reģiona vidū; šajā gadījumā abas DNS virknes tiek “nogrieztas” vienā līmenī. Iegūtajiem DNS fragmentiem ir tā sauktie neasie gali. DNS šķelšanās ir iespējama ar nobīdi, vienai no virknēm izvirzoties par vairākiem nukleotīdiem. Šajā gadījumā izveidotie “lipīgie” gali to komplementaritātes dēļ mijiedarbojas.

Nukleotīdu secību ar lipīgiem galiem var pievienot vektoram (iepriekš apstrādāts ar to pašu restrikcijas enzīmu) un pārveidot par apļveida secību, savstarpēji komplementāru galu šķērssaistīšanas rezultātā ar ligāzēm. Metodei ir ievērojami trūkumi, jo ir diezgan grūti izvēlēties fermentu darbību, lai stingri izolētu vēlamo gēnu. Kopā ar gēnu tiek notverti “papildu” nukleotīdi vai, gluži pretēji, fermenti nogriež daļu gēna, pārvēršot to funkcionāli bojātā.

Ķīmiski fermentatīvi sintēzi izmanto, ja ir zināma proteīna vai peptīda, kura sintēzi gēns kodē, primārā struktūra. Ir nepieciešamas pilnīgas zināšanas par gēna nukleotīdu secību. Šī metode ļauj

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

6.1 Gēnu inženierija, principi, iespējas. Pielietojuma jomas bioloģiskās. aģenti, kas iegūti ar ģenētiskām metodēm. inženierzinātnes

precīzi atjaunot vēlamo nukleotīdu secību, kā arī ievadīt

gēni, restrikcijas enzīmu atpazīšanas vietas, regulējošās sekvences uc Metode sastāv no vienpavedienu DNS fragmentu (oligonukleotīdu) ķīmiskās sintēzes, pateicoties pakāpeniskai estera saišu veidošanai starp nukleotīdiem, parasti 8–16 vienības. Šobrīd ir “gēnu mašīnas”, kas mikroprocesora vadībā ļoti ātri sintezē konkrētas īsas vienpavedienu DNS sekvences. Slaidā ir redzama šādas mašīnas shēma, ko izstrādājis Kanādas uzņēmums Bio Logics. Vēlamā bāzu secība tiek ievadīta tastatūrā. Mikroprocesors atver vārstus, caur kuriem, izmantojot sūkni, sintēzes kolonnā tiek ievadīti nukleotīdi, kā arī nepieciešamie reaģenti un šķīdinātāji. Kolonna ir piepildīta ar silīcija lodītēm, uz kurām tiek savāktas DNS molekulas. Šī ierīce var sintezēt ķēdes līdz 40 nukleotīdu garumā ar ātrumu 1 nukleotīds 30 minūtēs. Iegūtie oligonukleotīdi ir savstarpēji saistīti, izmantojot DNS ligāzi, veidojot divpavedienu nukleotīdu. Izmantojot šo metodi, tika iegūti insulīna, proinsulīna, somatostatīna u.c. A un B ķēdes gēni.

Enzīmu gēnu sintēze, pamatojoties uz izolētu kurjers RNS

(mRNS) pašlaik ir visizplatītākā metode. Pirmkārt, no šūnām tiek izolētas kurjer-RNS, starp kurām ir mRNS, ko kodē gēns, kas jāizolē. Pēc tam izvēlētos apstākļos uz mRNS, kas izolēta no šūnas, kā uz matricas, izmantojot reversā transkriptāze (revertāze) tiek sintezēta mRNS komplementāra DNS virkne (cDNS). Saņemts komplementārā DNS(cDNS) kalpo par veidni otrās DNS virknes sintēzei, izmantojot DNS polimerāzi vai reverso. Praimeris šajā gadījumā ir oligonukleotīds, kas komplementārs ar mRNS 3’ galu; magnija jonu klātbūtnē no deoksinukleozīdu trifosfātiem veidojas jauna DNS virkne. Šo metodi ar lieliem panākumiem izmantoja, lai 1979. gadā iegūtu cilvēka augšanas hormona (somatotropīna) gēnu.

Vienā vai otrā veidā iegūtais gēns satur informāciju par proteīna struktūru, bet pats to nevar realizēt. Tāpēc ir nepieciešami papildu mehānismi, lai kontrolētu gēna darbību.

Ģenētiskās informācijas nodošana saņēmēja šūnā tiek veikta kā vektora daļa. Vektors parasti ir apļveida DNS molekula, kas spēj neatkarīgi replikēties. Gēns kopā ar vektoru veido rekombinanto DNS.

Rekombinantās DNS uzbūve. Ar parastu ievadīšanu

baktēriju šūnu DNS tiek pakļauta enzīmu uzbrukumam, kā rezultātā tā tiek iznīcināta. Lai tas nenotiktu, tiek izmantotas vektora DNS molekulas, kuras, ievadot šūnā, var pastāvēt autonomi un replikēties, kad šūna dalās. Vektors satur arī ģenētisku pazīmi, kas nepieciešama turpmākai transgēno organismu atpazīšanai un atlasei. Antibiotiku rezistences gēni parasti tiek izmantoti kā marķiera gēni.

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

6.1 Gēnu inženierija, principi, iespējas. Pielietojuma jomas bioloģiskās. aģenti, kas iegūti ar ģenētiskām metodēm. inženierzinātnes

Rekombinantās DNS konstruēšana tiek veikta in vitro ar izolētu DNS, izmantojot restrikcijas endonukleāzes, kas šķeļ vektoru vienā vietā, pārvēršot to no apļveida formas uz lineāru, veidojot lipīgus galus, kas komplementāri ievades DNS galiem. Vektora komplementāros galus un ievadīto gēnu savieno ligāze. Iegūtā rekombinantā DNS tiek aizvērta, izmantojot to pašu DNS ligāzi, lai izveidotu apļveida molekulu.

Plazmīdas un vīrusi tiek izmantoti kā vektori. Vīrusi tiek transportēti no šūnas uz šūnu un īsā laikā var ātri inficēt visu ķermeni. Svarīga problēma, tos lietojot, ir vājināšanās (patogenitātes pavājināšanās saimniekam); tādēļ nav skaidrs, ka ar vīrusu inficētās šūnas izdzīvos un spēs nodot izmainīto ģenētisko programmu saviem pēcnācējiem. Visizplatītākie vektori ir daudzkopiju plazmīdas ar molekulmasu 3–10 kb. Pirmās plazmīdas tika izolētas no baktērijām, un pēc tam tās sāka konstruēt, izmantojot gēnu inženierijas metodes.

Universālu vektoru metodiskā izmantošana ir vienkāršs uzdevums, kam nav nepieciešams īpašs aprīkojums. Klonēšanai visbiežāk izmantotie plazmīdu vektori ir E. coli plazmīdas (pBR322, pBR325, pACYC117, pACYC 184), kā arī tie, kas konstruēti uz CoIEI plazmīdas bāzes. Mūsdienu plazmīdu vektori hloramfenikola klātbūtnē spēj replikēties neatkarīgi no hromosomu dalīšanās, plazmīdu kopiju skaits var palielināties līdz 1–2,103 kopijām vienā šūnā.

Iegūstot gēnu bibliotēku no augiem un augstākiem dzīvniekiem, kuros kopējais genoma garums ir līdz 3109 vai vairāk, vektora kapacitātei bieži ir izšķiroša loma. Šajā gadījumā kā vektoru izmanto fāga λ DNS. Izmantojot īpašas metodes, rekombinanto DNS ievada tieši fāgu galvās. Vēl lielāka kapacitāte ir plazmīdām – kosmīdiem (līdz 40 kb), kuros fāga λ genoma cos fragments ir iesaistīts DNS iesaiņošanā fāga daļiņā attīstības beigu stadijā. DNS iesaiņošanai DNS jāsatur COS reģions, un tai jābūt aptuveni tādam pašam izmēram kā fāga genomam. Iegūtās metodes DNS iesaiņošanai fāga galviņā, izmantojot kosmīdus, ļauj iegūt gēnu bibliotēkas gandrīz no jebkura organisma.

Gēnu pārnešana uz recipienta organisma šūnām. Rekombinanta pārnešana

nant DNS tiek veikta ar transformāciju vai konjugāciju. Transformācija ir šūnas ģenētisko īpašību maiņas process svešas DNS iekļūšanas rezultātā. Pirmo reizi to pneimokokos atklāja F. Gifits, kurš parādīja, ka dažas nevirulentu baktēriju celmu šūnas, inficējot peles kopā ar virulentiem celmiem, iegūst patogēnas īpašības. Nākotnē

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

6.1 Gēnu inženierija, principi, iespējas. Pielietojuma jomas bioloģiskās. aģenti, kas iegūti ar ģenētiskām metodēm. inženierzinātnes

transformācija ir pierādīta un pētīta dažādās baktēriju sugās.

Ir konstatēts, ka tikai dažas, tā sauktās kompetentās šūnas (kas spēj iekļaut svešu DNS un sintezēt īpašu transformējošu proteīnu) spēj transformēties. Šūnas kompetenci nosaka arī vides faktori. To var atvieglot, apstrādājot šūnas ar polietilēnglikolu vai kalcija hlorīdu. Pēc iekļūšanas šūnā viena no rekombinantajām DNS virknēm degradējas, bet otra, pateicoties rekombinācijai ar recipienta DNS homologu reģionu, var tikt iekļauta hromosomu vai ekstrahromosomu vienībā. Transformācija ir universālākais ģenētiskās informācijas pārsūtīšanas veids augstākā vērtībaģenētiskajām tehnoloģijām.

Konjugācija ir viena no ģenētiskā materiāla apmaiņas metodēm, kurā notiek vienvirziena ģenētiskās informācijas pārnešana no donora uz recipientu. Šo pārnesi kontrolē īpašas konjugatīvās plazmīdas (auglības faktors). Informācijas pārnešana no donora šūnas uz recipienta šūnu tiek veikta caur īpašiem dzimumorgānu bārkstiņiem (pili). Ir iespējams arī pārsūtīt informāciju, izmantojot nekonjugatīvās plazmīdas, piedaloties palīgplazmīdām.

Visa vīrusa vai fāga gēnu kopas pārnesi, kas izraisa fāgu daļiņu attīstību šūnā, sauc par transfekciju. Paņēmiens, ko piemēro baktēriju šūnām, ietver sferoplastu iegūšanu, inkubācijas barotnes attīrīšanu no nukleāzēm un attīrītas fāga DNS pievienošanu (protamīna sulfāta klātbūtne palielina transfekcijas efektivitāti). Metode ir piemērojama dzīvnieku un augu šūnām, izmantojot īpašus atspoles vīrusu vektorus.

Rekombinanto šūnu skrīnings un atlase. Pēc dizaina nodošanas

ruated DNS, kā likums, tikai neliela daļa no recipienta šūnām iegūst nepieciešamo gēnu. Tāpēc ļoti svarīgs solis ir to šūnu identificēšana, kas satur mērķa gēnu.

Pirmajā posmā tiek identificētas un atlasītas šūnas, kas satur vektoru, uz kura pamata tiek veikta DNS pārnešana. Atlase tiek veikta, izmantojot ģenētiskos marķierus, kas iezīmē vektoru. Galvenie marķieri ir antibiotiku rezistences gēni. Tāpēc selekciju veic, iesējot šūnas uz barotnēm, kas satur noteiktu antibiotiku. Pēc iesēšanas uz šīm barotnēm aug tikai šūnas, kurās ir vektors ar antibiotiku rezistences gēniem.

Otrajā posmā tiek atlasītas šūnas, kas satur vektoru un mērķa gēnu. Šim nolūkam tiek izmantotas divas metožu grupas: 1) pamatojoties uz tiešu recipienta šūnu DNS analīzi un 2) pamatojoties uz mērķa gēna kodētās pazīmes identifikāciju. Izmantojot pirmo metožu grupu, vektora DNS tiek izolēta no šūnām, kuras it kā satur vēlamo gēnu, un tiek meklēti reģioni, kas satur šo gēnu. Pēc tam tiek sekvencēta daļa no gēna nukleotīdu secības.

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

6.1 Gēnu inženierija, principi, iespējas. Pielietojuma jomas bioloģiskās. aģenti, kas iegūti ar ģenētiskām metodēm. inženierzinātnes

Iespējama arī cita metode - no šūnām izolētas DNS hibridizācija ar zondi (vēlamo gēnu vai tam atbilstošo mRNS); Izolētā DNS tiek pārvērsta vienpavedienu stāvoklī un mijiedarbojas ar zondi. Tālāk tiek noteikta divpavedienu hibrīda DNS molekulu klātbūtne. Otrajā variantā ir iespējams tieši atlasīt šūnas, kas sintezē proteīnu - mērķa gēna transkripcijas un translācijas produktu. Tiek izmantotas arī selektīvas barotnes, kas atbalsta tikai to šūnu augšanu, kuras ir ieguvušas gēna mērķi.

Izmantojot gēnu inženierijas metodes, ir iespējams pēc noteikta plāna konstruēt jaunas mikroorganismu formas, kas spēj sintezēt dažādus produktus, tostarp eikariotu organismus. Rekombinantās mikrobu šūnas ātri vairojas kontrolētos apstākļos un spēj izmantot dažādus substrātus, tostarp lētus.

Galvenās problēmas, kas rodas ģenētiskās manipulācijas laikā, ir šādas: 1) transformācijas laikā svešā vidē nonākušie gēni tiek pakļauti proteāžu iedarbībai, tāpēc tie ir jāaizsargā; 2) parasti transplantētā gēna produkts uzkrājas šūnās un netiek izvadīts vidē; 3) vēlamākās pazīmes kodē nevis viens, bet gan gēnu grupa. Tas viss ievērojami sarežģī nodošanu un prasa izstrādāt tehnoloģiju katra gēna secīgai transplantācijai.

Līdz šim gēnu inženierija ir apguvusi visas dzīvās karaļvalstis. “Svešo” gēnu fenotipiskā ekspresija (ekspresija) iegūta baktērijās, raugos, sēnēs, augos un dzīvniekos. Spoži panākumi ir gūti visplašāk pētīto mikroorganismu šūnās. Rekombinantās DNS laikmets augos un augstākajos dzīvniekos tikai sākas. Dzīvnieku gēnu inženierijas jomā klonēšana

peles β-globīna, fāga λ gēni. Papildus Āfrikas zaļo pērtiķu nieru šūnām tiek pārbaudīti jauni dzīvnieku šūnu kultūras veidi, tostarp cilvēka šūnas. Piemēram, čigānu kožu šūnās, izmantojot vīrusu vektoru, bija iespējams panākt cilvēka β-interferona gēna ekspresiju. Šis gēns ir klonēts arī zīdītāju šūnās. Cilvēka gēnu inženierijā, tāpat kā augu gēnu inženierijā, audu specifiskā gēnu ekspresija vēl nav sasniegta. Šīs problēmas risinājumi tiek meklēti, konstruētajos vektoros ieviešot noteiktus promotora regulējošos reģionus. Iespēja uzlabot lauksaimniecības dzīvnieku šķirnes joprojām ir diezgan tāls uzdevums. Līdz šim praktiski nav informācijas par tādu pazīmju ģenētiku kā auglība, izslaukums un tauku saturs, paaugstināta izturība pret slimībām utt. Tas kavē ģenētisko manipulāciju mēģinājumus šajā jomā.

Gēnu inženierija ne tikai nodod biotehnologu rokās jaunus vērtīgo savienojumu ražotājus, bet arī uzlabo un paaugstina jau tradicionāli izmantoto organismu vērtīgo īpašību efektivitāti. Bieži

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

6.1 Gēnu inženierija, principi, iespējas. Pielietojuma jomas bioloģiskās. aģenti, kas iegūti ar ģenētiskām metodēm. inženierzinātnes

Viena no labākajām metodēm noderīga produkta ražas palielināšanai ir pastiprināšana

gēnu kopiju skaita palielināšanās . Daudzu mērķa speciālistu izglītība

produktiem (aminoskābes, vitamīni, antibiotikas u.c.) raksturīgs garš bioķīmiskās sintēzes ceļš, ko kontrolē nevis viens, bet desmitiem gēnu. Šo gēnu izolēšana un klonēšana, izmantojot pastiprināšanu, ir diezgan grūts, bet dažos gadījumos iespējams uzdevums. Noderīgā produkta ražas pieaugums tiek panākts arī, izmantojot vietējo

lizēta (vietai specifiska) mutaģenēze in vitro : izmantojot ķīmisko mutaģenēzi, tiek apstrādāts nevis viss šūnas genoms, bet gan restrikcijas ceļā iegūts tās fragments.

6.2. Tehnoloģijas organismu ģenētiskai projektēšanai in vitro. DNS avoti gēnu klonēšanai (restrikcijas, fermentatīvā un ķīmiski fermentatīvā gēnu sintēze).

DNS ievadīšanas metodes rekombinantā DNS. Rūpnieciski nozīmīgu insulīna, somatotropīna, interferonu ražotāju gēnu inženierija

Rekombinantās DNS tehnoloģijas attīstība dod iespēju izolēt eikariotu gēnus un ekspresēt tos heterologās sistēmās. Pašlaik gēnu inženierijas metodes ļauj konstruēt ģenētiskas sistēmas, kas spēj funkcionēt prokariotu un eikariotu šūnās. Šīs iespējas tiek izmantotas, lai radītu organismus ar jaunām vērtīgām īpašībām, piemēram, baktēriju celmus, kas spēj sintezēt eikariotu proteīnus.

Starp proteīna produktiem, kas rada lielu interesi, ir bioloģiski aktīvas vielas, piemēram, hormoni. Olbaltumvielu un peptīdu hormoni ieņem nozīmīgu vietu starp tiem. Šie hormoni, no kuriem daudzi ir steidzami nepieciešami medicīnā, vēl nesen tika iegūti, ekstrahējot no dzīvnieku audiem, ar nosacījumu, ka hormonam nebija izteiktas sugas specifikas. Tika mēģināts ķīmiskās sintēzes ceļā iegūt salīdzinoši īsus peptīdu hormonus. Bet šī ražošanas metode izrādījās nerentabla pat molekulām, kas sastāv no vairākiem desmitiem vienību. Vienīgais hormonu avots ar ārkārtīgi izteiktu sugu specifiku (augšanas hormons somatotropīns) bija mirušu cilvēku orgāni.

Gēnu inženierijas sasniegumi ir radījuši cerības uz iespēju klonēt gēnus vairāku hormonu sintēzei mikrobu šūnās. Šīs cerības lielā mērā attaisnojās, pirmkārt, peptīdu hormonu mikrobioloģiskās sintēzes piemērs.

Pirmos veiksmīgos rezultātus par ķīmiski sintezētas DNS nukleotīdu sekvences ekspresiju, kas kodē 14-mēru peptīdu hormonu somatostatīnu (somatotropīna antagonistu), 1977. gadā ASV ieguva kompānija Genetek. Lai novērstu iznīcināšanas procesu

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

Lai pētītu hormonu baktēriju šūnās peptidāzes ietekmē, autori izmantoja pieeju, ko vēlāk veiksmīgi izmantoja citu peptīdu hormonu iegūšanai. Tika izveidots hibrīds gēns, kura daļa tika ņemta no Escherichia coli enzīma β-galaktozidāzes gēna, bet pārējais bija fragments, kas kodē pašu somatostatīnu (fragments tika sintezēts ķīmiski). Ienācis baktēriju šūnas hibrīda gēns vadīja himēras proteīna sintēzi, kas sastāv no vairāk nekā 90% no β-galaktozidāzes aminoskābju secības. Pārējais bija somatostatīns. Abu sākotnējo gēnu apgabala krustojumā atradās aminoskābes metionīna kodons. Pēdējais ļāva apstrādāt hibrīda proteīnu ar ciānbromīdu, kas sarauj metionīna veidoto peptīdu saiti; Starp sadalīšanās produktiem tika atrasts somatostatīns. Šī pieeja ir izmantota, lai iegūtu daudzus peptīdu hormonus (insulīna A un B ķēdes, neiropeptīdu lehenkefalīnu, bradikinīnu, angiotenzīnu utt.).

Izmantojot gēnu inženierijas metodes, īsā laika periodā ir radīti superražojoši mikroorganismi, kas ļauj iegūt virkni vīrusu un dzīvnieku proteīnu augstā ražā. Ir izveidoti celmi, kuros līdz 20% no šūnu proteīna sastāv no ģenētiski modificētiem produktiem, piemēram, govs B hepatīta vīrusa antigēns, galvenais mutes un nagu sērgas vīrusa kapsīda antigēns, teļa renīns, virsmas antigēns. B hepatīta vīruss utt.

Rekombinantā insulīna sagatavošana. Hormona insulīns ir veidots no divām polipeptīdu ķēdēm, A un B, attiecīgi 20 un 30 aminoskābju garumā. Ķēžu secību 1955. gadā izveidoja Sanger. Abu ķēžu sintēze, ieskaitot 170 ķīmiskās reakcijas, tika realizēta ASV, Vācijā un Ķīnā 1963. gadā. Taču izrādījās, ka tik sarežģītu procesu nav iespējams pārnest uz rūpniecību. Līdz 1980. gadam insulīnu ieguva, izolējot to no aizkuņģa dziedzera (govs aizkuņģa dziedzeris sver 200–250 g, un, lai iegūtu 100 g kristāliskā insulīna, nepieciešams līdz 1 kg izejvielu). Tāpēc vajadzības pēc tā netika pilnībā apmierinātas. Tādējādi 1979. gadā no 6 miljoniem reģistrēto pacientu ar cukura diabētu tikai 4 miljoni cilvēku saņēma insulīnu. 1980. gadā Dānijas uzņēmums Novo Industry izstrādāja metodi cūku insulīna pārvēršanai cilvēka insulīnā, fermentatīvi aizvietojot alanīna atlikumu, kas ir 30 aminoskābe ķēdē B, līdz treonīna atlikumam. Rezultātā tika iegūts vienkomponenta cilvēka insulīns 99% tīrība. Dzīvnieka ķermenī divas polipeptīdu ķēdes sākotnēji ir vienas 109 aminoskābes garas proteīna molekulas daļas – tas ir preproinsulīns. Sintezējot aizkuņģa dziedzera šūnās, pirmās 23 aminoskābes kalpo kā signāls molekulas transportēšanai cauri šūnas membrānai. Šīs aminoskābes tiek sadalītas, veidojot proinsulīnu, kas ir 86 aminoskābes garš.

1980. gadā Gilberts un kolēģi izolēja insulīna mRNS no žurkas aizkuņģa dziedzera β-šūnu audzēja (manipulācijas tajā laikā nebija atļautas).

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

6.2 Organismu ģenētiskās projektēšanas tehnoloģijas nvitro. DNS avoti gēnu klonēšanai. DNS injekcijas metodes...

ietekmēt cilvēka gēni). Iegūtā mRNS DNS kopija tika ievietota pBR 322 plazmīdā vidusdaļa penicilināzes gēns (enzīms parasti tiek atbrīvots no šūnas), kas tika transportēts baktērijās. Izrādījās, ka uzbūvētā plazmīda satur informāciju par proinsulīna, nevis preproinsulīna struktūru. MRNS translācijas laikā E. coli šūnās tika sintezēts hibrīds proteīns, kas satur penicilināzes un proinsulīna sekvences. Hormons no šī proteīna tika atšķelts ar tripsīnu. Ir pierādīts, ka šādi iegūtais proteīns ietekmē cukura vielmaiņu līdzīgi kā aizkuņģa dziedzera hormons. 1979. gadā Amerikas Savienotajās Valstīs trīs mēnešu laikā tika sintezēti gēni, kas kodē insulīna A un B ķēdes; gēni tika samontēti attiecīgi no 18 un 11 oligonukleotīdiem. Pēc tam gēni, tāpat kā somatostatīna ražošanā, tika ievietoti plazmīdā Escherichia coli β-galaktozidāzes gēna galā.

E. coli šūnās tiek sintezēts arī proinsulīns, nevis tikai tā atsevišķās ķēdes. DNS kopija tika sintezēta no izolētās veidnes mRNS. Proinsulīna sintēzei ir noteiktas priekšrocības, jo hormona ekstrakcijas un attīrīšanas procedūras ir minimālas.

Ģenētiski modificētu ražotāju celmu iegūšanas tehnoloģijas pilnveidošana, izmantojot dažādas metodes (plazmīdu amplifikācija, ievadītās rekombinantās DNS iekapsulēšana, recipienta šūnu proteolītiskās aktivitātes nomākšana), ļāva iegūt augstu hormona iznākumu, līdz pat 200 mg/l kultūras. . Ģenētiski modificētās olbaltumvielas medicīniskie, bioloģiskie un klīniskie testi parādīja zāļu piemērotību, un 1982. gadā tās tika apstiprinātas ražošanai daudzās valstīs.

Somatotropīna biosintēze. Somatotropīns (hipofīzes augšanas hormons) pirmo reizi tika izolēts 1963. gadā no līķu materiāla. Hormona izdalīšanās no vienas hipofīzes bija aptuveni 4–6 mg gatavā farmaceitiskā preparāta izteiksmē. Pundurisma ārstēšanai nepieciešamā deva ir 6 mg nedēļā vienu gadu. Papildus masas trūkumam, ekstrakcijas rezultātā iegūtās zāles bija neviendabīgas pret to, kas noliedza hormona iedarbību. Turklāt pastāvēja briesmas, ka, saņemot zāles, organisms var inficēties ar lēni attīstošiem vīrusiem. Tādēļ bērniem, kuri saņēma šīs zāles, bija nepieciešama daudzu gadu medicīniskā uzraudzība.

Ģenētiski modificētajai narkotikai ir neapšaubāmas priekšrocības: tās ir pieejamas lielos daudzumos, viendabīgs, nesatur vīrusus. Somatotropīna, kas sastāv no 191 aminoskābes atlikuma, sintēzi 1979. gadā veica Goeddel un viņa kolēģi ASV (Genentek uzņēmums).

Ķīmiski fermentatīvā DNS sintēze rada gēnu, kas kodē somatotropīna prekursoru, tāpēc tika izvēlēts īpašs klonēšanas ceļš. Pirmajā posmā tika klonēta mRNS divpavedienu DNS kopija, un ar restrikcijas palīdzību tika iegūta secība, kas kodē visu hormona aminoskābju secību, izņemot pirmās 23 aminoskābes. Pēc tam tika klonēts sintētisks polinukleotīds, kas atbilst šīm 23 aminoskābēm ar ANG sākuma kodonu sākumā. Divi saņēma -

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

6.2 Organismu ģenētiskās projektēšanas tehnoloģijas nvitro. DNS avoti gēnu klonēšanai. DNS injekcijas metodes...

Šie fragmenti tika savienoti un pielāgoti lac promotoru pārim un ribosomu saistīšanās vietai. Inženierijas gēns tika pārstādīts E. coli. Baktērijās sintezētajam hormonam bija vajadzīgā molekulmasa, un tas nebija saistīts ar nevienu proteīnu; tā raža bija aptuveni 100 000 molekulu vienā šūnā. Hormons tomēr saturēja papildu metionīna atlikumu polipeptīdu ķēdes N-galā; kad pēdējais tika izņemts, hormonu iznākums bija zems.

1980. gadā tika iegūti pierādījumi, ka ģenētiski modificētam somatotropīnam piemīt dabiskā hormona bioloģiskā aktivitāte. Arī zāļu klīniskie pētījumi bija veiksmīgi. 1982. gadā šis hormons tika iegūts arī uz inženierijas Escherichia coli bāzes Pastēra institūtā Parīzē. Līdz 1990. gadam hormona izmaksas bija samazinājušās līdz 5 USD par vienību. Šobrīd to izmanto lopkopībā, lai stimulētu lopu augšanu, izslaukumu u.c.

Interferonu iegūšana. Interferoni ir proteīnu grupa, ko var ražot mugurkaulnieku kodolšūnās. Tie ir spēcīgi inducējami proteīni, kas ir nespecifiskas rezistences faktors, kas uztur ķermeņa homeostāzi. Interferona sistēmai ir regulējoša funkcija organismā, jo tā spēj mainīt dažādus bioķīmiskos procesus. Mugurkaulnieku interferoni, tai skaitā

ieskaitot cilvēkus, iedala trīs grupās: attiecīgi α, β, γ, leikocītu, fibroblastu un imūno.

70. gadu beigās kļuva acīmredzama interferonu iespējamā nozīme medicīnā, tostarp vēža profilaksē. Klīniskos pētījumus apgrūtina pietiekama interferona daudzuma trūkums un tradicionālā veidā (izolācija no asinīm) iegūto medikamentu augstās izmaksas. Tātad 1978. gadā oda saņemšanai

0.1 g tīra interferona Helsinku Centrālajā veselības laboratorijā (laboratorija ir pasaules līdere interferona ražošanā no leikocītiem veseliem cilvēkiem) tika iegūti, apstrādājot 50 000 litrus asiņu. Iegūtais zāļu daudzums varētu nodrošināt ārstēšanu pret vīrusu infekciju 10 000 gadījumos. Interferonu iegūšanas izredzes bija saistītas ar gēnu inženieriju.

IN 1980. gadā Gilbertam un Veismanam ASV izdevās iegūt interferonu ģenētiski modificētajā E. coli. Sākotnējās grūtības, ar kurām viņi saskārās, bija zems mRNS līmenis balto asins šūnās, pat tajās, ko stimulēja vīrusu infekcija. Apstrādājot 17 litrus asiņu, bija iespējams izolēt mRNS un iegūt DNS kopija. Pēdējais tika ievietots plazmīdā un klonēts E. coli. Tika pārbaudīti vairāk nekā 20 000 klonu. Daži kloni spēja sintezēt interferonu, bet ar zemu ražu, 1–2 molekulas vienā šūnā. Līdzīgi pētījumi tika veikti Japānā, Anglijā, Francijā un Krievijā.

IN Tika izveidotas 1980 nukleotīdu sekvencesα - un β - interferoni: fibroblastu interferona mRNS sastāv no 836 nukleotīdiem

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

6.2 Organismu ģenētiskās projektēšanas tehnoloģijas nvitro. DNS avoti gēnu klonēšanai. DNS injekcijas metodes...

Dovs; no tiem 72 un 203 nukleotīdi atrodas 5’ un 3’ netulkotajos reģionos, 63 kodē peptīdu, kas atbild par interferona sekrēciju no šūnām, un 498 nukleotīdi kodē 166 paša interferona aminoskābju atlikumus. Pēc tam α- un β-interferona gēni tika iegūti ķīmiskās sintēzes ceļā un klonēti E. coli. 1981. gadā tika atšifrēta imūninterferona nukleotīdu secība, kas būtiski atšķiras no pirmajām divām, bet molekulas izmēra ziņā ir salīdzināma. Nozīmīgs punkts bija cilvēka leikocītu interferona gēna pilnīga sintēze, ko Apvienotajā Karalistē veica Imperial Chemical Industry uzņēmuma un Lesteras Universitātes Bioloģijas zinātņu skolas darbinieki. Pusotra gada laikā tika sintezēta visa interferona DNS kopijas secība, kas spēj kodēt α1-interferonu. Oligonukleotīdu sintēze tika veikta ar jaunu metodi, kas ievērojami paātrināja gēnu sintēzi. Pirmkārt, poliakrilamīda sveķiem tika pievienots nukleotīds; Pēc tam nukleotīdu pāru pievienošana tika veikta, izmantojot kondensācijas līdzekli bezūdens piridīnā. Katrs cikls ilga pusotru stundu, tāpēc gada laikā izdevās sintezēt 5000 nukleotīdu garu secību. 67 oligonukleotīdi tika sintezēti un, izmantojot ligāzi, apvienoti divpavedienu DNS, kas sastāv no 514 nukleotīdu pāriem. Iegūtais gēns tika ievietots divu baktēriju šūnās: E. coli,

Methylophilus methylotrophus, un tika iegūta ekspresija.

Centieni iegūt ģenētiski modificētus interferonus, salīdzinot ar šūnu kultūras metodi, ir samazinājuši izmaksas vairāk nekā 100 reizes. Pamatojoties uz ģenētiski modificētām baktēriju un rauga šūnām, ir iegūti dažāda veida interferoni. Tas ļāva uzsākt zāļu biomedicīnas un klīniskos izmēģinājumus. No 1980. līdz 1981. gadam iegūtie interferona preparāti bija 80% attīrīti, un to īpatnējā aktivitāte bija vairāk nekā 107 starptautiskās vienības uz 1 mg proteīna. Šajā periodā uzsākto interferonu klīnisko pētījumu paplašināšanās ir atkarīga no tā attīrīšanas pakāpes palielināšanās. Progress šajā virzienā panākts, izmantojot monoklonālās antivielas, kuras var izmantot afinitātes hromatogrāfijā (šajā gadījumā vēlamās olbaltumvielas tiek saglabātas uz kolonnas ar antivielām).

6.3. Šūnu inženierija. Bioloģisko aģentu ražošana, izmantojot šūnu inženierijas metodes in vivo. Mutaģenēze.

Metodes mutantu iegūšanai un izdalīšanai. Eikariotu šūnu hibridizācija.

Plazmīdas un baktēriju konjugācija. Fagiskā transdukcija. Protoplastu saplūšanas tehnika. Hibridomas.

Monoklonālo antivielu sagatavošana un lietošana

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

Tradicionāli, lai iegūtu aktīvākus bioloģiskos aģentus,

mainīta atlase un mutaģenēze. Atlase ir virzīta mutantu atlase

– organismi, kuru iedzimtība ir ieguvusi pēkšņas izmaiņas DNS nukleotīdu secības strukturālās modifikācijas rezultātā. Vispārējais atlases ceļš ir ceļš no vēlamo ražotāju aklas atlases līdz viņu genoma apzinātai izstrādei. Tradicionālajām selekcijas metodēm savulaik bija liela nozīme dažādu tehnoloģiju izstrādē, izmantojot mikroorganismus. Tika atlasīti alus, vīna, cepšanas, etiķskābes un citu mikroorganismu celmi. Atlases metodes ierobežojumi ir saistīti ar spontānu mutāciju zemo biežumu, kas izraisa izmaiņas genomā. Lai mutācija notiktu, gēnam ir jādubulto vidēji 106–108 reizes.

Noved pie ievērojama atlases procesa paātrinājuma izraisīta mutaģenēze(strass bioloģiskā objekta mutāciju biežuma pieaugums genoma mākslīgā bojājuma dēļ). Ultravioletais un rentgena starojums un virkne ķīmisko savienojumu (slāpekļskābe, bromuracils, antibiotikas u.c.) ir mutagēna iedarbība. Pēc populācijas apstrādes ar mutagēnu tiek veikta iegūto klonu pilnīga skrīnings (verifikācija) un tiek atlasīti visproduktīvākie. Atlasītie kloni tiek pārstrādāti un atkārtoti tiek atlasīti produktīvie kloni, tas ir, pakāpeniska atlase tiek veikta atbilstoši interesējošajai iezīmei.

Šis darbs prasa daudz darba un laika. Pakāpeniskās atlases trūkumus lielā mērā var novērst, apvienojot to ar ģenētiskās apmaiņas metodēm.

Ģenētiskā projektēšana in vivo (šūnu inženierija) ietver mutantu iegūšanu un izolēšanu un izmantošanu dažādos veidos dzīvo šūnu iedzimtas informācijas apmaiņa

Šūnu inženierijas pamats ir nereproduktīvo šūnu saplūšana (somatisko šūnu hibridizācija), veidojot vienotu veselumu. Šūnu saplūšana var būt pilnīga, vai arī recipienta šūna var iegūt atsevišķas donoršūnas daļas (mitohondrijas, citoplazmu, kodolgenomu, hloroplastus utt.). Rekombināciju izraisa dažādi dzīvo šūnu ģenētiskās informācijas apmaiņas procesi (seksuāli un paraseksuāli procesi eikariotu šūnās; konjugācija, transformācija un transdukcija prokariotos, kā arī universālā metode - protoplastu saplūšana).

Hibridizācijas laikā tiek ņemti ģenētiski marķēti mikroorganismu celmi (parasti auksotrofi mutanti vai pret augšanas inhibitoriem rezistenti mutanti). Šūnu saplūšanas (kopulācijas) rezultātā raugā, sēnēs un aļģēs veidojas hibrīdi. Ja sākotnējās šūnas bija haploīdas, kodolsintēzes rezultātā parādās diploīda šūna (zigota), kuras kodolā ir dubults hromosomu komplekts. Dažos pārstāvjos kodols nekavējoties iziet mejozi, kuras laikā katra no hromosomām tiek sadalīta. Homologās hromosomas veido pārus un apmainās ar to hromatīdu daļām krustošanās rezultātā. Pēc tam veidojas haploīdas seksuālās sporas, no kurām katra satur gēnu kopumu, kas gēnu rekombinācijas rezultātā atšķīra mātes šūnas.

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

6.3 Šūnu inženierija. Saņemt bioloģiskā aģenti, izmantojot šūnu metodes. in vivo inženierija. Mutaģenēze. Saņemšanas metodes un mutantu izolēšana

viena un tā pati hromosoma, kā arī dažādas hromosomas hromosomu pāru sadalījumā. Ja pēc saplūšanas kodoli nesaplūst, veidojas formas ar jauktu citoplazmu un dažādas izcelsmes kodoli (heterokarioni). Šādas formas ir raksturīgas sēnītēm, īpaši penicilīna ražotājiem. Reproducējot iegūtos heterozigotos diploīdus vai heterokarionus, notiek šķelšanās - izpausme pēcnācējos, kas atklāj ne tikai dominējošās, bet arī vecāku recesīvās īpašības. Seksuālie un paraseksuālie procesi tiek plaši izmantoti rūpnieciski svarīgu ražojošo mikroorganismu ģenētiskajā praksē.

Baktērijās ģenētiskās informācijas apmaiņa notiek mijiedarbības rezultātā konjugatīvās plazmīdas (konjugācija). Pirmo reizi

tika novērota E. coli K-12. Konjugatīvai krustošanai donora un recipienta kultūras sajauc un inkubē kopā uzturvielu buljonā vai uz agara barotnes virsmas. Šūnas ir savienotas viena ar otru, izmantojot iegūto konjugācijas tiltu; caur tiltu konkrēta plazmīdas hromosomas vieta tiek pārnesta uz saņēmēju. Tādējādi 37 °C temperatūrā visas hromosomas pārnešana aizņem apmēram 90 minūtes. Konjugācija ir pavērusi un paver plašas perspektīvas ģenētiskajai analīzei un celmu veidošanai.

Transdukcija ir ģenētiskās informācijas pārnešana no saņēmējas šūnas uz donora šūnu, izmantojot fāgu. . Pirmo reizi šis pro-

procesu 1952. gadā aprakstīja Zinders un Līderbergs. Transdukcija balstās uz to, ka fāgu vairošanās laikā baktērijās var veidoties daļiņas, kas satur fāgu DNS un baktēriju DNS fragmentus. Lai veiktu transdukciju, jums jāpavairo fāgs donora celma šūnās un pēc tam ar to jāinficē saņēmējas šūnas. Rekombinanto formu atlase tiek veikta ar selektīvu barotni, kas neatbalsta sākotnējo formu augšanu.

IN pēdējos gados tas ir ļoti plaši izmantotsprotoplastu saplūšanas metode.Šķiet, ka šī metode ir universāls veids, kā ievadīt ģenētisko informāciju dažādas izcelsmes šūnās. Metodes vienkāršība padara to pieejamu rūpnieciski nozīmīgu ražotāju atlasei. Metode paver jaunas iespējas starpsugu un starpģenērisko hibrīdu iegūšanai un filoģenētiski attālu dzīvo būtņu formu krustošanai. Pozitīvi rezultāti tika iegūti no baktēriju, rauga un augu šūnu saplūšanas. Tika iegūti starpsugu un starpģenēriskie rauga hibrīdi. Ir pierādījumi par dažādu veidu baktēriju un sēnīšu šūnu saplūšanu. Hibrīdšūnas bija iespējams iegūt, sapludinot organismu šūnas, kas pieder pie dažādām valstībām: dzīvnieku un augu. Vardes kodolšūnas tika sapludinātas ar burkānu protoplastiem; hibrīda augu un dzīvnieku šūna auga uz augu šūnu barotnēm, taču ātri zaudēja kodolu un pārklājās ar šūnas sienu.

IN Pēdējos gados veiksmīgi norit darbs pie dažādu organismu šūnu asociāciju veidošanas, tas ir, tiek iegūtas divu vai vairāku organismu šūnu jauktas kultūras, lai radītu mākslīgas simbiozes. Veiksmīgi veikti eksperimenti par slāpekli piesaistoša organisma ievadīšanu

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

6.3 Šūnu inženierija. Saņemt bioloģiskā aģenti, izmantojot šūnu metodes. in vivo inženierija. Mutaģenēze. Saņemšanas metodes un mutantu izolēšana

Anabaena variabilis tabakas augos. Mēģinājumi ieviest A. variabilis tieši nobriedušu tabakas augu spraudeņos nedeva pozitīvus rezultātus. Bet, kopīgi audzējot mezofilos tabakas audus un zilaļģes, bija iespējams iegūt reģenerētus augus, kas satur zilaļģes. Tika iegūtas žeņšeņa un nakteņu šūnu asociācijas ar zilaļģēm.

viņas Chlorogleae fritschii.

Dzīvnieku šūnu klonālā pavairošana ģenētiskai manipulācijai ir daudzsološa. Dzīvnieku šūnu šūnu kultūru tehnikai bioloģiski aktīvu savienojumu iegūšanai ir lielas perspektīvas, lai gan tā sper tikai pirmos soļus. Audzēja šūnu kultūras vai normālās šūnas, kas pārveidotas in vitro, dažos gadījumos saglabā spēju sintezēt specifiskus produktus. Neskatoties uz esošajām grūtībām, ir parādīta iespēja iegūt vairākas vielas dzīvnieku šūnu kultūrā.

Svarīga šūnu inženierijas joma ir saistīta ar agrīnām embriju stadijām. Tādējādi olšūnu apaugļošana in vitro ļauj pārvarēt neauglību. Ar hormonu injekciju palīdzību no viena dzīvnieka var iegūt desmitiem olšūnu, mākslīgi apaugļotas in vitro un implantēt citu dzīvnieku dzemdē. Šo tehnoloģiju izmanto lopkopībā, lai iegūtu monozigotiskos dvīņus. Ir izstrādāta jauna metode, kuras pamatā ir agrīna embrija atsevišķu šūnu spēja attīstīties par normālu augli. Embrija šūnas tiek sadalītas vairākās vienādās daļās un pārstādītas saņēmējiem. Tas ļauj paātrinātā veidā pavairot dažādus dzīvniekus. Embriju manipulācijas tiek izmantotas, lai izveidotu dažādu dzīvnieku embrijus. Šī pieeja ļauj pārvarēt starpsugu barjeru un izveidot himēriskus dzīvniekus. Tādā veidā tika iegūtas, piemēram, aitu-kazu kimēras.

Visdaudzsološākais šūnu inženierijas virziens ir

Xia hibridomas tehnoloģija. Hibrīdšūnas (hibridomas) veidojas šūnu saplūšanas rezultātā ar dažādām ģenētiskām programmām, piemēram, normālām diferencētām un transformētām šūnām. Spilgts piemērs šīs tehnoloģijas sasniegumiem ir hibridomas, kas iegūtas normālu limfocītu un mielomas šūnu saplūšanas rezultātā. Šīm hibrīdšūnām piemīt spēja sintezēt specifiskas antivielas, kā arī neierobežota augšana kultivēšanas laikā.

Atšķirībā no tradicionālās antivielu ražošanas tehnikas, hibridomas tehnika pirmo reizi ļāva iegūt monoklonālās antivielas (antivielas, ko ražo vienas šūnas pēcnācēji). Monoklonālās antivielas ir ļoti specifiskas, tās ir vērstas pret vienu antigēnu determinantu. Ir iespējams iegūt vairākas monoklonālas antivielas dažādiem antigēnu noteicošajiem faktoriem, tostarp sarežģītām makromolekulām.

Monoklonālās antivielas rūpnieciskā mērogā tika ražotas salīdzinoši nesen. Kā zināms, normāla imūnsistēma, reaģējot uz svešiem aģentiem (antigēniem), spēj ražot līdz pat miljonam dažādu veidu antivielu, savukārt ļaundabīga šūna sintezē tikai viena tipa antivielas. Mielomas šūnas ātri vairojas. Tāpēc iegūtā kultūra

6. ŠŪNU UN ĢENĒTISKĀ INŽENERIJA

6.3 Šūnu inženierija. Saņemt bioloģiskā aģenti, izmantojot šūnu metodes. in vivo inženierija. Mutaģenēze. Saņemšanas metodes un mutantu izolēšana

no vienas mielomas šūnas var uzturēt ļoti ilgu laiku. Tomēr nav iespējams piespiest mielomas šūnas ražot antivielas pret konkrētu antigēnu. Šo problēmu 1975. gadā atrisināja Cēzars Milšteins. Kembridžas Molekulārās bioloģijas Medicīnas pētījumu laboratorijas darbinieki nāca klajā ar ideju apvienot peles mielomas šūnas ar B limfocītiem no peles liesas, kas imunizēta ar noteiktu antigēnu. Sapludināšanas rezultātā izveidojušās hibrīdšūnas iegūst abu vecāku šūnu īpašības: nemirstību un spēju izdalīt milzīgu daudzumu jebkuras noteikta veida antivielas. Šiem darbiem bija liela nozīme un tie atklāja jaunu ēru eksperimentālajā imunoloģijā.

1980. gadā ASV Karlo M. Krokam un viņa kolēģiem izdevās izveidot stabilu, antigēnu producējošu, intraspecifisku cilvēka hibridomu, sapludinot mielomas pacienta B limfocītus ar pacienta ar subakūtu panencefalītu perifēriem limfocītiem.

Hibridomas tehnoloģijas iegūšanas galvenie posmi ir šādi. Peles tiek imunizētas ar antigēnu, pēc tam no liesas tiek izolēti splenocīti, kas polietilēnglikola klātbūtnē tiek sapludināti ar bojātām audzēja šūnām (parasti ar defektiem nukleotīdu biosintēzes ceļa fermentos - hipoksantīnā vai tiamīnā). Pēc tam tos atlasa selektīvā barotnē, kas ļauj vairoties tikai hibrīda šūnām. Barības barotnē ar augošām hibridomām tiek pārbaudīta antivielu klātbūtne. Pozitīvās kultūras tiek atlasītas un klonētas. Klonus injicē dzīvniekiem, veidojot audzēju, kas ražo antivielas, vai arī tos audzē kultūrā. Peļu ascīta šķidrums var saturēt līdz 10–30 mg/ml monoklonālo antivielu.

Hibridomas var uzglabāt sasaldētas, un šāda klona devu jebkurā laikā var ievadīt tās pašas līnijas dzīvniekam, no kura iegūtas saplūšanas šūnas. Pašlaik ir izveidotas monoklonālo antivielu bankas. Antivielas izmanto dažādiem diagnostikas un terapeitiskiem mērķiem, tostarp pretvēža ārstēšanai.

Efektīvs veids, kā izmantot monoklonālās antivielas terapijā, ir saistīt tās ar citotoksiskām indēm. Antivielas, kas konjugētas ar indēm, makroorganismā izseko un iznīcina noteiktas specifikas audzēja šūnas.

Tādējādi šūnu inženierija kalpo kā efektīvs veids bioloģisko objektu modificēšanai un dod iespēju iegūt jaunus vērtīgus ražotājus orgānu un arī šūnu un audu līmenī.

Valsts augstākās izglītības iestāde

profesionālā izglītība

VlSU

Vēstures un reliģijas zinātņu nodaļa

Abstrakts

par tēmu:

Ģenētiskā un šūnu inženierija. Biotehnoloģija.

Pabeidza: Shipilova E.V. Gr.ZYU-110

Pārbaudījis: Vēstures katedras asociētais profesors un

reliģijas studijas Zubkovs S.A.

Vladimirs 2011

1. Ievads 3

2.Gēnu inženierijas iespējas . Biotehnoloģija 5

3.1. Lauksaimniecība 9

3.2. Medicīna un farmācija 11

4. Klonēšana 14

4.1. Terapeitiskās izpētes stāvoklis

klonēšana Krievijā 16

5. Problēmas 17

6. 23. secinājums

Atsauces 25

1. Ievads

Gēnu inženierija ir molekulārās bioloģijas un ģenētikas pētījumu virziens, kura galvenais mērķis ir, izmantojot laboratorijas metodes, iegūt organismus ar jaunām, arī dabā nesastopamām, iedzimtu īpašību kombinācijām. Gēnu inženierija ir balstīta uz iespēju mērķtiecīgi manipulēt ar nukleīnskābju fragmentiem, pateicoties jaunākajiem sasniegumiem molekulārajā bioloģijā un ģenētikā. Šie sasniegumi ietver ģenētiskā koda universāluma nodibināšanu, tas ir, faktu, ka visos dzīvajos organismos tiek iekļautas vienas un tās pašas aminoskābes. proteīna molekula ko kodē tās pašas nukleotīdu sekvences DNS ķēdē; ģenētiskās enzimoloģijas panākumi, kas nodrošināja pētniekam enzīmu kopumu, kas ļauj iegūt atsevišķus gēnus vai nukleīnskābju fragmentus izolētā veidā, veikt nukleīnskābju fragmentu sintēzi in vitro un apvienot iegūtos fragmentus vienā veselumā. . Tādējādi organisma iedzimto īpašību maiņa, izmantojot gēnu inženieriju, ir saistīta ar jauna ģenētiskā materiāla konstruēšanu no dažādiem fragmentiem, šī materiāla ievadīšanu recipienta organismā, radot apstākļus tā funkcionēšanai un stabilai pārmantošanai.

Gēnu inženierija radās sākumā. 70. gadi 20. gadsimts Gēnu inženierija balstās uz gēna (kodē vēlamo produktu) vai gēnu grupas ekstrakciju no organisma šūnām un to apvienošanu ar īpašām DNS molekulām (tā sauktajiem vektoriem), kas spēj iekļūt cita organisma šūnās (galvenokārt mikroorganismos). un vairoties tajos , t.i. rekombinanto DNS molekulu radīšana.

Rekombinantā (svešā) DNS ievada saņēmējā organismā jaunas ģenētiskas un fizikāli bioķīmiskas īpašības. Šīs īpašības ietver aminoskābju un olbaltumvielu sintēzi, hormonus, fermentus, vitamīnus utt.

Gēnu inženierijas metožu izmantošana paver iespēju mainīt vairākas organisma īpašības: palielināt produktivitāti, izturību pret slimībām, palielināt augšanas ātrumu, uzlabot produktu kvalitāti utt. Dzīvnieki, kuru genomā ir rekombinants (svešs) gēns, ir parasti sauc par transgēnu, un gēns, kas integrēts genoma saņēmējā - transgenomā. Pateicoties gēnu pārnesei, transgēnos dzīvniekos rodas jaunas īpašības, un turpmākā selekcija ļauj tos nostiprināt pēcnācējos un izveidot transgēnās līnijas.

Gēnu inženierijas metodes ļauj izveidot jaunus augu genotipus ātrāk nekā klasiskās selekcijas metodes, un kļūst iespējams mērķtiecīgi mainīt genotipu - transformāciju.

Ģenētiskā transformācija galvenokārt sastāv no svešu vai modificētu gēnu pārnešanas eikariotu šūnās. Augu šūnās ir iespējams izteikt gēnus, kas pārnesti ne tikai no citiem augiem, bet arī no mikroorganismiem un pat dzīvniekiem.

Augu ar jaunām īpašībām iegūšana no transformētajām šūnām (reģenerācija) iespējama to topitotences īpašības dēļ, t.i. atsevišķu šūnu spēja ģenētiskās informācijas realizācijas procesā attīstīties par veselu organismu.

2. Gēnu inženierijas iespējas. Biotehnoloģija.

Šobrīd farmācijas nozare ir ieguvusi vadošās pozīcijas pasaulē, kas atspoguļojas ne tikai rūpnieciskās ražošanas apjomos, bet arī finanšu līdzekļi investēja šajā nozarē (pēc ekonomistu domām, tā iekļuva vadošajā grupā pēc akciju pirkšanas un pārdošanas apjoma vērtspapīru tirgos). Būtisks jaunums bija tas, ka farmācijas uzņēmumi savā darbības jomā iekļāva jaunu lauksaimniecības augu un dzīvnieku šķirņu audzēšanu un tam tērē desmitiem miljonu dolāru gadā, kā arī mobilizēja ikdienas lietošanai paredzētu ķimikāliju ražošanu. Piedevas būvniecības nozares produktiem un tā tālāk. Farmācijas nozares pētniecības un rūpniecības nozarēs ir nodarbināti nevis desmitiem tūkstošu, bet varbūt vairāki simti tūkstošu augsti kvalificētu speciālistu, un tieši šajās jomās interese par genoma un gēnu inženierijas pētījumiem ir ārkārtīgi liela.

Acīmredzot tāpēc jebkurš progress augu biotehnoloģijā būs atkarīgs no ģenētisko sistēmu un instrumentu izstrādes, kas ļaus efektīvāk pārvaldīt transgēnus. Situācija ir līdzīga tai, kāda vērojama datorindustrijā, kur papildus apstrādājamās informācijas apjoma palielināšanai un pašu datoru uzlabošanai ir nepieciešams arī operētājsistēmas informācijas pārvaldība, piemēram, Microsoft “logi”.

Lai tīri izgrieztu transgēnu DNS augu genomā, arvien vairāk tiek izmantotas homologās rekombinācijas sistēmas, kas aizgūtas no mikrobu ģenētikas, piemēram, Cre-lox un Flp-frt sistēmas. Nākotne acīmredzot būs kontrolēta gēnu pārnese no šķirnes uz šķirni, pamatojoties uz iepriekš sagatavota augu materiāla izmantošanu, kas jau satur homoloģijas zonas vēlamajās hromosomās, kas nepieciešamas transgēna homologai ievietošanai. Papildus integratīvajām ekspresijas sistēmām tiks pārbaudīti arī autonomi replikējoši vektori, kas rada mākslīgās augu hromosomas, kas teorētiski neuzliek nekādus ierobežojumus ievadītās teorētiskās informācijas apjomam.

Zinātnieki meklē gēnus, kas kodē jaunas noderīgas īpašības. Situācija šajā jomā radikāli mainās, galvenokārt tāpēc, ka pastāv publiskas datu bāzes, kas satur informāciju par lielāko daļu gēnu, baktēriju, rauga, cilvēku un augu, kā arī tāpēc, ka tiek izstrādātas metodes, kas ļauj vienlaicīgi analizēt lielu gēnu skaits ar ļoti lielu caurlaidspēju. Praksē izmantotās metodes var iedalīt divās kategorijās:

1. Metodes, kas pieļauj izteiksmes profilēšanu: atņemšanas hibridizācija, EST bibliotēku elektroniska salīdzināšana, “gēnu mikroshēmas” utt. Tie ļauj noteikt korelāciju starp vienu vai otru fenotipisko pazīmi un konkrētu gēnu aktivitāti. 2. Pozicionālā klonēšana sastāv no mutantu radīšanas, izmantojot ievietošanas mutaģenēzi ar kādu mūs interesējošo pazīmi vai īpašību traucējumiem, kam seko atbilstošā gēna klonēšana kā tāda, kas acīmredzami satur zināmu secību (insercija). Iepriekš minētās metodes nepieņem nekādu sākotnējo informāciju par gēniem, kas kontrolē noteiktu pazīmi. Racionāla komponenta neesamība šajā gadījumā ir pozitīvs apstāklis, jo to neierobežo mūsu pašreizējie priekšstati par mūs interesējošās specifiskās pazīmes raksturu un ģenētisko kontroli.

Ievērojams progress ir panākts praktiskajā jomā jaunu produktu radīšanā medicīnas nozarei un cilvēku slimību ārstēšanai

Ģenētiski modificētu produktu izmantošana medicīnā.

	Dabiski produkti un ģenētiski modificētu produktu pielietojuma joma
Antikoagulanti	Audu plazminogēna aktivators (TPA) aktivizē plazmīnu. Enzīms, kas iesaistīts asins recekļu rezorbcijā; Efektīva miokarda infarkta pacientu ārstēšanā.
Asins faktori	VIII faktors paātrina trombu veidošanos; deficīts hemofilijas slimniekiem. Ģenētiski modificēta VIII faktora lietošana novērš ar asins pārliešanu saistīto risku.
Koloniju veidošanos stimulējošie faktori	Imūnsistēmas augšanas faktori, kas stimulē balto asinsķermenīšu veidošanos. Lieto imūndeficīta ārstēšanai un infekcijām.
eritropoetīns	Stimulē sarkano asins šūnu veidošanos. Lieto anēmijas ārstēšanai pacientiem ar nieru mazspēju.
Izaugsmes faktori	Stimulēt diferenciāciju un izaugsmi dažādi veidišūnas. Lieto, lai paātrinātu brūču dzīšanu.
Cilvēka augšanas hormons	Lieto pundurisma ārstēšanā.
Cilvēka insulīns	Lieto diabēta ārstēšanai
Interferons	Novērš vīrusu vairošanos. Lieto arī dažu vēža veidu ārstēšanai.
Leiksīns	Aktivizēt un stimulēt dažāda veida leikocītu darbu. Var izmantot brūču dzīšanai, HIV infekcijai, vēzim,
Monoklonāls - ny antivielas	Diagnostikas nolūkos izmanto visaugstāko specifiskumu, kas saistīts ar antivielām. Tos izmanto arī mērķtiecīgai medikamentu, toksīnu, radioaktīvo un izotopu savienojumu piegādei vēža audzējiem, ir daudz citu pielietojuma jomu.
Superoksīda dismutāze	Novērš audu bojājumus ar reaktīviem hidroksi atvasinājumiem īslaicīga skābekļa deficīta apstākļos, īpaši ķirurģisku operāciju laikā, kad nepieciešams pēkšņi atjaunot asins plūsmu.
	Mākslīgi ražotās vakcīnas (B hepatīta vakcīna bija pirmā) daudzējādā ziņā ir labākas nekā parastās vakcīnas.

Rekombinantās DNS tehnoloģija balstās uz ļoti specifisku DNS zondu ražošanu, kuras izmanto, lai pētītu gēnu ekspresiju audos, gēnu lokalizāciju hromosomās un identificētu gēnus ar radniecīgām funkcijām (piemēram, cilvēkiem un vistām). DNS zondes izmanto arī dažādu slimību diagnostikā.

Rekombinantās DNS tehnoloģija ir padarījusi iespējamu netradicionālu proteīnu gēnu pieeju, ko sauc par reverso ģenētiku. Šajā pieejā proteīns tiek izolēts no šūnas, šī proteīna gēns tiek klonēts un tiek modificēts, radot mutantu gēnu, kas kodē izmainītu proteīna formu. Iegūtais gēns tiek ievadīts šūnā. Ja tas ir izteikts, šūna, kas to nes, un tās pēcnācēji sintezēs izmainīto proteīnu. Tādā veidā var izlabot bojātos gēnus un ārstēt iedzimtas slimības.

Ja hibrīda DNS tiek ievadīta apaugļotā olšūnā, var izveidoties transgēni organismi, kas ekspresē mutantu gēnu un nodod to saviem pēcnācējiem. Dzīvnieku ģenētiskā transformācija ļauj konstatēt atsevišķu gēnu un to proteīna produktu lomu gan citu gēnu darbības regulēšanā, gan dažādos patoloģiskos procesos. Ar gēnu inženierijas palīdzību izveidotas pret vīrusu slimībām rezistentu dzīvnieku līnijas, kā arī dzīvnieku šķirnes ar cilvēkiem labvēlīgām īpašībām. Piemēram, liellopu somatotropīna gēnu saturošas rekombinantās DNS mikroinjekcija truša zigotā ļāva iegūt transgēnu dzīvnieku ar šī hormona hiperprodukciju. Iegūtajiem dzīvniekiem bija izteikta akromegālija.

3. Gēnu inženierijas virzieni.

3. 1 Lauksaimniecība.

Gēnu inženierija tieši lauksaimniecībā notika jau 20. gadsimta 80. gadu beigās, kad izdevās veiksmīgi ieviest jaunus gēnus desmitiem augu un dzīvnieku sugās - izveidot tabakas augus ar mirdzošām lapām, tomātiem, kas viegli panes salu, un kukurūzu ir izturīgs pret pesticīdiem.

Viens no svarīgiem gēnu inženierijas uzdevumiem ir iegūt pret vīrusiem izturīgus augus, jo pašlaik nav citu veidu, kā cīnīties ar kultūraugu vīrusu infekciju. Vīrusa apvalka proteīna gēnu ievadīšana augu šūnās padara augus izturīgus pret šo vīrusu. Pašlaik ir iegūti transgēni augi, kas spēj pretoties vairāk nekā desmit dažādu vīrusu infekciju ietekmei.

Vēl viens svarīgs gēnu inženierijas uzdevums ir saistīts ar augu aizsardzību pret kukaiņu kaitēkļiem. Insekticīdu lietošana ne vienmēr ir efektīva to toksicitātes un iespējamības dēļ, ka lietus ūdens insekticīdus var izskalot no augiem. Gēnu inženierijas laboratorijās Beļģijā un ASV veiksmīgi norisinās darbs pie zemes baktērijas Bacillus thuringiensis gēnu ievadīšanas augu šūnās, kas dod iespēju sintezēt bakteriālas izcelsmes insekticīdus. Šie gēni tika ievadīti kartupeļu, tomātu un kokvilnas šūnās, kā rezultātā transgēnie kartupeļi un tomātu augi kļuva izturīgi pret Kolorādo kartupeļu vaboli, bet kokvilnas augi izrādījās izturīgi pret dažādiem kukaiņiem, tostarp kokvilnas tārpu. Gēnu inženierijas izmantošana lauksaimniecībā ir samazinājusi insekticīdu lietošanu par 40 - 60%. Ģenētiskie inženieri ir izaudzējuši transgēnus augus ar ilgstošu augļu nogatavošanās periodu. Tas ļauj šādus tomātus no krūma noplūkt sarkanā krāsā ar pārliecību, ka transportēšanas laikā tie nepārgatavosies.

Aug to augu saraksts, kuriem veiksmīgi pielietotas gēnu inženierijas metodes. Tajā ietilpst ābeles, vīnogas, plūmes, kāposti, baklažāni, gurķi, kvieši, rīsi, sojas pupas, rudzi un daudzas citas kultūras.

Viena no galvenajām jomām, kurā tiek izmantotas gēnu inženierijas tehnoloģijas, ir lauksaimniecība. Klasiska lauksaimniecības produktu kvalitātes uzlabošanas metode ir selekcija – process, kurā mākslīgās selekcijas ceļā tiek izolēti un krustoti atsevišķi augi vai dzīvnieki ar noteiktām īpašībām šo īpašību pārmantošanai un to uzlabošanai. Šis process ir diezgan ilgs un ne vienmēr patiesi efektīvs. Gēnu inženierijai piemīt spēja apveltīt dzīvu organismu ar tam neraksturīgām īpašībām, pastiprināt kādu esošo īpašību izpausmi vai tās izslēgt. Tas notiek, ieviešot jaunus vai izslēdzot vecos gēnus no ķermeņa DNS.

Piemēram, šādā veidā tika izstrādāta īpaša kartupeļu šķirne, kas ir izturīga pret Kolorādo kartupeļu vaboli. Lai to paveiktu, kartupeļu genomā tika ievadīts augsnes Tīringenes bacillus Bacillus thuringiensis gēns, kas ražo īpašu proteīnu, kas ir kaitīgs Kolorādo kartupeļu vabolei, bet nekaitīgs cilvēkiem. Gēnu inženierijas izmantošana augu īpašību mainīšanai, kā likums, tiek veikta tieši tāpēc, lai palielinātu to izturību pret kaitēkļiem, nelabvēlīgiem vides apstākļiem un uzlabotu garšas un augšanas īpašības. Iejaukšanos dzīvnieku genomā izmanto, lai paātrinātu to augšanu un palielinātu produktivitāti. Tādā veidā mākslīgi tiek palielināts arī neaizvietojamo aminoskābju un vitamīnu daudzums lauksaimniecības produktos, kā arī to uzturvērtība.

Argumentu skaits par GMF izmantošanu ievērojami pārsniedz iespējamos pretargumentus. Tādējādi GMF atbalstītāji īpaši atsaucas uz visu ģenētiski modificēto produktu (GMP) augsto kvalitātes kontroles līmeni. Divdesmit gadu ilgajā šo produktu lietošanas vēsturē dažādās pasaules valstīs nav atklāts neviens fakts par to negatīvo ietekmi uz cilvēka veselību, ko nevarētu teikt par tradicionālās lauksaimniecības produktiem, kuros izmantota neizbēgami ir dažāda veida mēslošanas līdzekļi, no kuriem daudzi ir atzīti par kaitīgiem cilvēkiem. Turklāt selekcija, kas lauksaimniecībā izmantota gadsimtiem ilgi, būtībā ir vērsta uz to pašu organismu ģenētisko modifikāciju, tikai to dara daudz ilgākā laika periodā. Gēnu inženierija vienkārši spēj īsā laikā ieviest nepieciešamās izmaiņas organismā, un tāpēc GMF lietošana nav bīstamāka par jebkuru citu klasiskās selekcijas ceļā iegūto produktu izmantošanu.

Gēnu inženierijas izmantošanas pretinieki lauksaimniecībā apelē uz ĢMO drošuma pētījumu trūkumu (tomēr šis jautājums turpina nepārtraukti pētīt), kā arī to, ka ĢMO dažkārt izraisa atsevišķu sugu izmiršanu. Piemēram, savvaļas ģenētiski modificēti organismi var izspiest savvaļas sugu populācijas, jo ir lielāka pielāgošanās spēja nelabvēlīgiem apstākļiem. vidi.

3.2. Farmācija un medicīna.

Vakcīnu ražošana un izmantošana pret vīrusu slimībām ļāva ārstiem pilnībā novērst mēra un baku epidēmijas, no kurām iepriekš mira miljoniem cilvēku. Gēnu inženierijas metode atšķirībā no citām metodēm ļauj iegūt absolūti nekaitīgu (infekcijas izraisītāju nesaturošu) vakcīnu. Notiek darbs arī pie vakcīnu izgatavošanas pret gripu, hepatītu un citām cilvēku vīrusu slimībām.

Īpaši veiksmīgi gēnu inženierijas pakalpojumus izmanto farmaceiti, kuriem šī metode ražo salīdzinoši lētus, bet vitāli svarīgus hormonus, piemēram, insulīnu, interferonu, augšanas hormonus un citus proteīna rakstura hormonus. Pēc farmaceitu lūguma gēnu inženieri ir izveidojuši cilvēka hormona insulīna (iepriekš lietotā dzīvnieku insulīna vietā) ražošanu, kam ir liela nozīme cīņā pret diabētu. Gēnu inženierijas metode rada arī diezgan lētu un tīru cilvēka interferonu, proteīnu ar universālu pretvīrusu iedarbību, B hepatīta vīrusa antigēnu.

Šobrīd Escherichia coli (E. coli) ir kļuvusi par tādu svarīgu hormonu piegādātāju kā insulīns un somatotropīns. Iepriekš insulīnu ieguva no dzīvnieku aizkuņģa dziedzera šūnām, tāpēc tā izmaksas bija ļoti augstas. Lai iegūtu 100 g kristāliskā insulīna, nepieciešami 800-1000 kg aizkuņģa dziedzera, un viens govs dziedzeris sver 200 - 250 gramus. Tas padarīja insulīnu dārgu un grūti pieejamu daudziem diabēta slimniekiem. 1978. gadā pētnieki no Genentech pirmo reizi ražoja insulīnu īpaši izstrādātā Escherichia coli celmā. Insulīns sastāv no divām polipeptīdu ķēdēm A un B, 20 un 30 aminoskābju garumā. Kad tos savieno ar disulfīda saitēm, veidojas natīvais divkāršās ķēdes insulīns. Ir pierādīts, ka tas nesatur E. coli proteīnus, endotoksīnus un citus piemaisījumus, nerada blakusparādības, piemēram, dzīvnieku insulīnu, un neatšķiras no tā bioloģiskajā aktivitātē. Pēc tam E. coli šūnās tika sintezēts proinsulīns, kuram, izmantojot reverso transkriptāzi, uz RNS šablona tika sintezēta DNS kopija. Pēc iegūtā proinsulīna attīrīšanas tas tika sadalīts dabiskā insulīnā, savukārt hormona ekstrakcijas un izolēšanas posmi tika samazināti līdz minimumam. No 1000 litriem kultūras šķidruma var iegūt līdz 200 gramiem hormona, kas atbilst insulīna daudzumam, kas izdalās no 1600 kg cūkas vai govs aizkuņģa dziedzera.

Somatotropīns ir cilvēka augšanas hormons, ko izdala hipofīze. Šī hormona deficīts izraisa hipofīzes pundurismu. Ja somatotropīnu ievada devās 10 mg uz kg ķermeņa svara trīs reizes nedēļā, tad gada laikā bērns, kurš cieš no tā trūkuma, var izaugt par 6 cm. Iepriekš tas tika iegūts no līķa materiāla, no viena līķa: 4 - 6 mg somatotropīna farmaceitiskā gala produkta izteiksmē. Tādējādi pieejamie hormona daudzumi bija ierobežoti, turklāt ar šo metodi iegūtais hormons bija neviendabīgs un varēja saturēt lēni augošus vīrusus. 1980. gadā uzņēmums Genentec izstrādāja tehnoloģiju somatotropīna ražošanai, izmantojot baktērijas, kurai nebija šo trūkumu. 1982. gadā cilvēka augšanas hormons tika iegūts E. coli un dzīvnieku šūnu kultūrā Pastēra institūtā Francijā, bet 1984. gadā PSRS sākās insulīna rūpnieciskā ražošana. Interferona ražošanā izmanto gan E. coli, S. cerevisae (raugs), gan fibroblastu vai transformētu leikocītu kultūru. Drošas un lētas vakcīnas tiek iegūtas arī ar līdzīgām metodēm.

Praktisks pielietojums. Tagad viņi spēj sintezēt gēnus, un ar šādu sintezētu gēnu palīdzību, kas tiek ievadīti baktērijās, tiek iegūtas vairākas vielas, jo īpaši hormoni un interferons. To ražošana bija nozīmīga biotehnoloģijas nozare. Interferons, proteīns, ko organisms sintezē, reaģējot uz vīrusu infekciju, tagad tiek pētīts kā iespējama vēža un AIDS ārstēšana. Lai iegūtu tādu interferona daudzumu, kādu nodrošina tikai viens litrs baktēriju kultūras, būtu nepieciešami tūkstošiem litru cilvēka asiņu. Ir skaidrs, ka ieguvumi no šīs vielas masveida ražošanas ir ļoti lieli. Ļoti liela nozīme ir arī insulīnam, kas iegūts uz mikrobioloģiskās sintēzes pamata, kas nepieciešams cukura diabēta ārstēšanai. Gēnu inženierija ir izmantota arī, lai radītu vairākas vakcīnas, kuras šobrīd tiek pārbaudītas, lai pārbaudītu to efektivitāti pret cilvēka imūndeficīta vīrusu (HIV), kas izraisa AIDS. Ar rekombinantās DNS palīdzību pietiekamā daudzumā tiek iegūts arī cilvēka augšanas hormons, vienīgais līdzeklis retas bērnības slimības - hipofīzes pundurisma - ārstēšanā. Vēl viens daudzsološs virziens medicīnā, kas saistīts ar rekombinanto DNS, ir t.s. gēnu terapija. Šajos darbos, kas vēl nav atstājuši eksperimentālo stadiju, organismā tiek ievadīta ģenētiski modificēta gēna kopija, kas kodē spēcīgu pretvēža enzīmu, lai cīnītos ar audzēju. Gēnu terapiju ir sākusi izmantot arī, lai apkarotu iedzimtus imūnsistēmas traucējumus. Lauksaimniecībā desmitiem pārtikas un lopbarības kultūru ir ģenētiski modificētas. Lopkopībā biotehnoloģiski ražota augšanas hormona izmantošana ir palielinājusi izslaukumu; Vakcīna pret herpes cūkām tika izveidota, izmantojot ģenētiski modificētu vīrusu.

4. Klonēšana.

Pamats vienas no perspektīvākajām biomedicīnas jomām šūnu aizstājterapijā - terapeitiskā klonēšana - bija divas svarīgākie atklājumi 20. gadsimta beigas. Tā, pirmkārt, ir klonētas aitas Dollijas radīšana un, otrkārt, embrionālo cilmes šūnu (ESC) ražošana. ).

Klonēšana ir dzīvas būtnes reprodukcija ar tās nereproduktīvajām (somatiskajām) šūnām. Orgānu un citu orgānu klonēšana ir svarīgākais uzdevums transplantoloģijas, traumatoloģijas un citās medicīnas un bioloģijas jomās. Pārstādot klonētus orgānus, nenotiek atgrūšanas reakcijas un nav iespējamu nelabvēlīgu seku (piemēram, vēzis attīstās uz imūndeficīta fona). Klonētie orgāni ir glābiņš cilvēkiem, kas cietuši autoavārijā vai citās nelaimēs, kā arī tiem, kuriem jebkādu slimību dēļ nepieciešama radikāla palīdzība. Klonēšana varētu dot iespēju bezbērnu cilvēkiem radīt pašiem savus bērnus, palīdzēt cilvēkiem, kuri cieš no smagām slimībām ģenētiskās slimības. Tātad, ja gēni, kas nosaka kādu iedzimtu slimību, ir ietverti hromosomās, tad viņas pašas somatiskās šūnas kodols tiek pārstādīts mātes olšūnā, tad parādīsies bērns, kuram nav bīstamu gēnu, mātes kopija. Ja šie gēni atrodas mātes hromosomās, tēva somatiskās šūnas kodols tiks pārnests uz viņas olšūnu un vesels bērns, tēva kopija. Cilvēces tālākais progress lielā mērā ir saistīts ar biotehnoloģiju attīstību. Vienlaikus jāņem vērā, ka ģenētiski modificētu dzīvo organismu un produktu nekontrolēta izplatība var izjaukt bioloģisko līdzsvaru dabā un radīt draudus cilvēku veselībai.

Visa organisma klonēšanu sauc par reproduktīvo klonēšanu. Pētījumi šajā virzienā joprojām tiek veikti, taču ir panākts zināms progress.

Aitas Dollijas klonēšanas gadījums Lielbritānijā ir plaši zināms. Šo zīdītāju klonēšanas eksperimentu veica zinātnieku grupa Jana Vilmuta vadībā. Pēc tam no donordzīvnieka tesmeņa ņemtie kodoli tika pārnesti 277 olās. No tiem tika izveidoti 29 embriji, no kuriem viens izdzīvoja. Dollija piedzima 1996. gada 5. jūlijā un kļuva par pirmo zīdītāju, kas veiksmīgi klonēts. Klonētais dzīvnieks dzīvoja 6,5 ​​gadus un nomira 2003. gada 14. februārī no progresējošas plaušu slimības, ko izraisīja retrovīruss. Tiek ziņots, ka tā ir izplatīta slimība iekštelpās turētām aitām, un drošības apsvērumu dēļ Dollija reti tika izvesta ganībās.

Ir daži nepareizi priekšstati par klonēšanu. Tādējādi cilvēka vai dzīvnieka klonēšana noteikti nav spējīga replicēt apziņu. Klonētais indivīds nebūs apveltīts ar sākotnējā organisma inteliģenci, viņam būs nepieciešama audzināšana, izglītība utt. Turklāt jautājums par klona pilnīgu ārējo identitāti ir arī strīdīgs. Kā likums, klons nav pilnīga oriģināla kopija, jo Klonējot tiek kopēts tikai genotips, kas nenozīmē nepārprotamu organisma fenotipa atkārtošanos. Fenotips veidojas, pamatojoties uz noteiktiem ģenētiskiem datiem, tomēr apstākļi, kādos klons tiks audzēts, var kaut kādā veidā ietekmēt tā attīstību: augums, svars, ķermeņa uzbūve un dažas garīgās attīstības pazīmes.

Lielākajā daļā pasaules valstu jebkāds darbs pie cilvēka reproduktīvās klonēšanas ir aizliegts. Šāda cilvēku klonēšana saskaras ar vēl lielākām ētiskām, reliģiskām un juridiskām problēmām nekā terapeitiskā klonēšana. Principā skaidra sabiedriskā viedokļa šajā jautājumā nav, tāpat kā pasaules lielākās reliģijas nespēj viennozīmīgi novērtēt šo fenomenu, jo tas pārsniedz to klasiskās mācības robežas un tāpēc prasa argumentāciju. Rodas arī dažas juridiskas grūtības, piemēram, paternitātes, maternitātes, mantojuma, laulības un daži citi jautājumi. Klonēšanas attīstība nav droša arī to kontroles dēļ, kā arī iespējamās tehnoloģiju noplūdes noziedznieku un teroristu aprindās. Īpašas bažas rada lielais klonēšanas neveiksmju procents, kas rada deformētu cilvēku rašanās risku.

4.1. Pētījumu stāvoklis par terapeitisko klonēšanu Krievijā.

Neskatoties uz uzplaukumu par ESC lielo potenciālu dažādu slimību ārstēšanā, darbs pie terapeitiskās klonēšanas Krievijā joprojām praktiski netiek veikts. Tas galvenokārt ir saistīts ar to, ka trūkst tiesiskā regulējuma pētījumu veikšanai, izmantojot cilvēka olšūnas un embrijus. Līdz ar šādu likumu pieņemšanu Krievijai ir reāla iespēja ļoti ātri izstrādāt terapeitisko klonēšanu. Mūsu valstī ir efektīvas šūnu tehnoloģijas rekonstruētu embriju iegūšanai, izmantojot kodoltransplantāciju. Būtībā mūsdienu tehnoloģiju pamati somatisko šūnu kodolpārnesei, apvienojot mikroķirurģiju un elektrofūziju, šeit pirmo reizi tika izstrādāti pagājušā gadsimta 80. gados. Ir arī efektīvas tehnoloģijas cilvēka ESC līniju iegūšanai.

Terapeitiskās klonēšanas uzdevumus ir iespējams īstenot uz reprodukcijas centru bāzes, kas papildus savam tiešajam mērķim var kļūt par ESC līniju iegūšanas centriem, pirmkārt, tieši šī centra pacientēm un jebkurai viņu dalībniecei. ģimenes. Sagaidāms, ka, attīstoties terapeitiskajām tehnoloģijām, savu ESC iegūšana kļūs pieejama ikvienam cilvēkam. Nepieciešama cieša sadarbība starp reprodukcijas centriem un attiecīgajām pētniecības laboratorijām, kas vērstas uz fundamentālu problēmu risināšanu un jaunu tehnoloģiju izstrādi. Līdzīgas tehnoloģijas ietver embriju rekonstrukciju, izmantojot neinvazīvas optiskās lāzera mikromanipulācijas metodes terapeitiskās klonēšanas nolūkos.

5. Gēnu inženierijas problēmas.

Gēnu inženierija ir pilnīgi jauna tehnoloģija, kas nojauc fundamentālās ģenētiskās barjeras ne tikai starp sugām, bet arī starp cilvēkiem, dzīvniekiem un augiem. Apvienojot gēnus no atšķirīgām un nesaistītām sugām, uz visiem laikiem mainot to ģenētiskos kodus, tiek radīti jauni organismi, kas nodos ģenētiskās izmaiņas saviem pēcnācējiem. Mūsdienās zinātnieki spēj izgriezt, ielīmēt, rekombinēt, pārveidot, rediģēt un programmēt ģenētisko materiālu. Dzīvnieku un pat cilvēku gēni tiek pievienoti augiem vai dzīvniekiem, radot neiedomājamas transgēnas dzīvības formas. Pirmo reizi vēsturē cilvēki kļuva par dzīves arhitektiem. Dažu nākamo gadu laikā bioinženieri spēs radīt desmitiem tūkstošu jaunu organismu. Izredzes ir biedējošas. Gēnu inženierija rada vēl nebijušu ētisku un sociālie jautājumi, kā arī apdraud vides labklājību, cilvēku un dzīvnieku veselību un lauksaimniecības nākotni. Tālāk ir aprakstītas tikai dažas no problēmām, kas saistītas ar gēnu inženieriju:

Ģenētiski modificēti organismi, kas izplūst vai tiek atbrīvoti no laboratorijas, var izraisīt vides iznīcināšanu. Ģenētiski izstrādāti "bioloģiskie piesārņotāji" var būt postošāki nekā pat ķīmiskie piesārņotāji. Tā kā ģenētiski modificētie pārtikas produkti ir dzīvi, tie pēc būtības ir neparedzamāki nekā ķīmiskie — tie var vairoties, migrēt un mutēt. Kad šie ģenētiski modificētie organismi tiks izlaisti vidē, tos atgriezt laboratorijā būs gandrīz neiespējami. Daudzi zinātnieki brīdina, ka šādu organismu izlaišana iekšā ārējā vide var radīt neatgriezeniskas destruktīvas sekas videi.

Ģenētiskās izmaiņas, visticamāk, radīs negaidītus rezultātus un bīstamus pārsteigumus. Biotehnoloģija ir neprecīza zinātne, un zinātnieki nekad nevar garantēt 100% panākumus. Praksē ir bijuši nopietni gadījumi. Pētnieki, kas veica eksperimentus Mičiganas štata universitātē, nesen atklāja, ka ģenētiski pārveidojot pret vīrusiem izturīgus augus, vīrusi var mutēt jaunās, bīstamākās formās vai formās, kas var uzbrukt citām augu sugām. Citi biedējoši scenāriji: svešzemju gēnus no ģenētiski modificētiem augiem kopā ar ziedputekšņiem, kukaiņiem, vēju vai lietu var pārnest uz citām kultūrām, kā arī savvaļas un nezāļu augiem. Katastrofa var notikt, ja ģenētiski modificētu kultūraugu īpašības, piemēram, rezistenci pret vīrusiem vai kukaiņiem, iegūst, piemēram, nezāles. Ģenētiski modificēti augi var radīt toksīnus un citas vielas, kas var kaitēt putniem un citiem dzīvniekiem. Augu un dzīvnieku gēnu inženierija gandrīz noteikti apdraudēs sugas un samazinās bioloģiskā daudzveidība. Pateicoties to "augstākiem" gēniem, daži augu un dzīvnieku ĢN neizbēgami izies no kontroles, iekarojot savvaļas sugas. Tas jau noticis, kad valstī tika ievestas eksotiskas sugas, piemēram, Ziemeļamerikā bija problēmas ar Holandes gobu slimību un kāpšanas puerāriju. Kas notiks ar savvaļas sugām, piemēram, kad zinātnieki izlaidīs vidē divas reizes lielākas karpas, lašus vai foreles un ēdīs divreiz vairāk barības nekā viņu savvaļas radinieki? Vēl viens apdraudējums ir jaunu kultūraugu un mājdzīvnieku veidu radīšana. Kad zinātnieki radīs tā saukto “ideālu tomātu” vai “ideālu vistu”, tie tiks atveidoti lielos daudzumos; “Mazāk vēlamās” sugas paliks malā. "Perfekti" dzīvnieki un augi pēc tam tiktu klonēti (reproducēti kā precīzas ģenētiskas kopijas), vēl vairāk samazinot pieejamo gēnu bāzi uz planētas.

Ģenētiskās izmaiņas kultūrā un dzīvniekos var izraisīt toksisku un alerģiskas reakcijas cilvēkos. Piemēram, personai ar alerģiju pret riekstiem vai vēžveidīgajiem nevarētu zināt, vai tomāts vai cits pārtikas produkts ir pārveidots, lai iekļautu olbaltumvielas no alerģiju izraisošas pārtikas, un šo GI pārtikas produktu ēšana var izraisīt letālas sekas. Alternatīvi, gēnu inženieri varētu ņemt olbaltumvielas no baktērijām, kas atrodamas augsnē, okeānā - jebkur - un pievienot to cilvēku pārtikai. Šādas vielas nekad iepriekš nav pievienotas pārtikai, tāpēc nav informācijas par to toksicitāti un alergēniskumu.

Ir zināmi gadījumi, kad ģenētiski modificēta pārtika ir nodarījusi kaitējumu cilvēkiem. 1989. un 1990. gadā ģenētiski modificēts L-triptofāns, parasts uztura bagātinātājs, nogalināja vairāk nekā 30 amerikāņu un vairāk nekā 5000 kļuva par neatgriezeniski invalīdiem ar potenciāli letālu un sāpīgu asins slimību eozinofīlijas-mialģijas sindromu, pirms tas tika aizliegts. Ražotājs Showa Denko K.K., Japānas trešais lielākais ķīmijas uzņēmums, izmantoja ģenētiski modificētu baktēriju, lai izveidotu šo bezrecepšu piedevu. Tiek uzskatīts, ka baktērija tika inficēta DNS rekombinācijas procesā. Produkti nenorāda, ka tie ir ģenētiski modificēti. ĢIN produktu patentēšana un plaši izplatītā biotehnoloģiju produktu ražošana iznīcinās lauksaimniecību, kas pazīstama kopš seniem laikiem. Ja šī tendence netiks apturēta, gaļas un piena nozares transgēno augu un dzīvnieku patentēšana drīzumā novedīs pie nomas lauksaimniecības attīstības, kur zemnieki nomās augus un dzīvniekus no biotehnoloģiju konglomerātiem un maksās par sēklām un pēcnācējiem. Galu galā dažu nākamo desmitgažu laikā lauksaimniecību iznīcinās un pārņems rūpnieciskās biosintēzes rūpnīcas, kuras kontrolēs ķīmijas un biotehnoloģiju uzņēmumi. Cilvēki nekad vairs nebaudīs dabisku, svaigu pārtiku. Simtiem miljonu lauksaimnieku un citu strādnieku visā pasaulē zaudēs savus ienākumus. Ilgtspējīga lauksaimniecības sistēma tiks iznīcināta.

Dzīvnieku ģenētiskā modifikācija un patentēšana samazinās dzīvo būtņu statusu līdz rūpnieciskiem produktiem un radīs lielākas ciešanas. 1994. gada janvārī tika paziņots, ka ir noskaidrota pilnīga govju un cūku genoma karte, kas bija pirms tālākas dzīvnieku eksperimentu izstrādes. Papildus šādiem eksperimentiem raksturīgajai nežēlībai (bojāti īpatņi piedzima ar sāpīgiem defektiem, klibiem, akliem utt.), šīm "ražošanas" radībām nebija nekādas lielāka vērtība to "radītājiem" nekā mehāniski izgudrojumi. Dzīvnieki, kas ģenētiski izstrādāti izmantošanai laboratorijās, piemēram, bēdīgi slavenā “Hārvardas pele”, kurai bija cilvēka vēzi izraisošs gēns, kas tika nodots visām nākamajām paaudzēm, bija paredzēti, lai ciestu. Tīri redukcionistiska zinātne, biotehnoloģija samazina dzīvības nozīmi līdz informācijas daļām (ģenētiskajam kodam), ko var izjaukt un salikt pēc vēlēšanās. Atbrīvojoties no to unikalitātes un tuvības, dzīvnieki, kas ir tikai viņu “izgudrotāju” objekti, tiks uzskatīti par tādiem. Pašlaik tiek gaidīti patenti vairāk nekā 200 ģenētiski pārveidotiem "dīvainiem" dzīvniekiem.

Ģenētiski modificētu organismu drošība nekad nav bijusi pietiekami vai pienācīgi pārbaudīta. Līdz šim nav izveidota atbilstoša valdības organizācija, lai cīnītos ar šo radikāli jauno radību klasi, kas potenciāli rada milzīgus draudus veselībai un videi. ASV Pārtikas un zāļu pārvaldes politika attiecībā uz ģenētiski modificētu pārtiku ilustrē šo problēmu. 1992. gada maijā šajā valstī tika izstrādāta jauna politika attiecībā uz biotehnoloģijas produktiem: ģenētiski modificētie produkti netiks aplūkoti atsevišķi no dabīgajiem; to drošība netiks pārbaudīta; tiem nebūs etiķetes, kas norāda, ka tās ir ģenētiski modificētas; ASV valdība neizsekos GI pārtikas produktiem. Rezultātā ne valdība, ne patērētāji nezinās, kuri veseli vai apstrādāti pārtikas produkti ir ģenētiski modificēti. Veģetārieši un cilvēki, kuri reliģiskās pārliecības dēļ izslēdz noteiktus pārtikas produktus no uztura, saskaras ar iespēju netīši patērē dārzeņus un augļus, kas satur dzīvnieku un pat cilvēku ģenētisko materiālu. Un sekas uz veselību noteiks tikai ar izmēģinājumu un kļūdu palīdzību – patērētāji.

Patentējot atklātos gēnus un dzīvos organismus, neliela korporatīvā elite drīz kontrolēs visu planētas ģenētisko mantojumu. Zinātnieki, kuri "atklāj" gēnus un veidus, kā ar tiem manipulēt, var saņemt patentus un līdz ar to īpašumtiesības ne tikai uz ģenētiskās modifikācijas tehnoloģijām, bet arī pašiem gēniem. Ķīmijas, farmācijas un biotehnoloģiju uzņēmumi, piemēram, DuPont, Upjohn, Bayer, Dow, Monsanto, Cib-Geigy un Rhone-Poulenc, steidzami cenšas identificēt un patentēt gēnus no augiem, dzīvniekiem un cilvēkiem, lai pilnībā pārņemtu lauksaimniecību un mājlopus un ražošanas nozares pārtikas produkti. Tie ir tie paši uzņēmumi, kas savulaik solīja bezrūpīgu dzīvi ar pesticīdiem un plastmasu. Vai viņu nākotnes plāniem var uzticēties?

Cilvēka genoma izpēte var novest pie personas informācijas deklasificēšanas un jaunu diskriminācijas līmeņu. Dažiem cilvēkiem jau tiek liegts veselības apdrošināšana pamatojoties uz "sliktajiem" gēniem. Vai darba devēji prasīs gēnu skenēšanu un vai viņi atteiks darbu saviem darbiniekiem, pamatojoties uz rezultātiem? Vai valdība iegūs piekļuvi mūsu personīgajiem ģenētiskajiem profiliem? To ir viegli iedomāties jauns līmenis diskriminācija pret tiem, kuru ģenētiskie profili liecina, ka viņi, piemēram, ir mazāk inteliģenti vai nosliece uz noteiktām slimībām.

Gēnu inženierija jau ir izmantota, lai “uzlabotu” cilvēku rasi, šo praksi sauc par eigēniku. Gēnu skenēšana jau ļauj noskaidrot, vai auglis pārnēsā noteiktu iedzimtu slimību gēnus. Vai mēs drīz sāksim atbrīvoties no augļiem, pamatojoties uz tādiem defektiem, kas nav dzīvībai bīstami, piemēram, tuvredzība, homoseksualitāte vai tikai kosmētiski iemesli? Pensilvānijas universitātes pētnieki ir pieteikuši patentu GI dzīvnieku spermas šūnām, lai varētu mainīt īpašības, kas tiek nodotas no paaudzes paaudzē; tas liek domāt, ka tas pats ir iespējams ar cilvēkiem. Pāreja no dzīvnieku eigēnikas uz cilvēku eigēniku ir tikai viens mazs solis. Ikviens vēlas saviem bērniem labāko, bet kur lai apstāties? Nejauši mēs drīz varam atkārtot nacistu centienus izveidot "perfektu" rasi.

ASV armija veido ģenētiski modificētu bioloģisko ieroču arsenālu. Lai gan aizskarošu bioloģisko ieroču radīšana ir padarīta nelikumīga saskaņā ar starptautiskajiem līgumiem,ASV turpina izstrādāt šādus ieročus aizsardzības nolūkos. Tomēr ģenētiski modificētie bioloģiskie aģenti ir identiski neatkarīgi no tā, vai tos izmanto aizsardzībai vai uzbrukumam. Šādu ieroču izpētes jomas ir šādas: baktērijas, kas ir rezistentas pret visām antibiotikām; izturīgākas un bīstamākas baktērijas un vīrusi, kas dzīvo ilgāk un ātrāk nogalina, kā arī jauni organismi, kas var padarīt nederīgu vakcīnas iedarbību vai samazināt cilvēku un augu dabisko rezistenci. Tika pētīta arī iespēja attīstīt patogēnus, kas var pietiekami izjaukt cilvēka hormonālo līdzsvaru, lai izraisītu nāvi, un pārveidot nekaitīgās baktērijas (piemēram, tās, kas atrodamas cilvēka zarnās) par slepkavām. Daži eksperti uzskata, ka tiek izstrādāti arī GI patogēni, kas vērsti uz noteiktām rasu grupām.

Ne visi zinātnieki ir optimistiski noskaņoti par gēnu inženieriju. Skeptiķu vidū ir Irvins Čārgofs, izcils bioķīmiķis, ko bieži dēvē par molekulārās bioloģijas tēvu. Viņš brīdina, ka ne visas inovācijas rada "progresu". Kādreiz Šargofs gēnu inženieriju nosauca par "molekulāro Aušvicu" un brīdināja, ka gēnu inženierijas tehnoloģija pakļauj pasauli lielākam riskam nekā kodoltehnoloģiju parādīšanās. "Man šķiet, ka zinātne ir pārvarējusi barjeru, kurai vajadzētu palikt nesalauztai," viņš rakstīja savā autobiogrāfijā. Atzīmējot plānoto gēnu inženierijas eksperimentu "biedējošo neatgriezeniskumu", Šargofs brīdināja, ka "... jūs nevarat atsaukt jauna uniforma dzīve... tā pārdzīvos tevi un tavus bērnus, un tavu bērnu bērnus. Neatgriezenisks uzbrukums biosfērai ir kaut kas tik nedzirdēts, tik neiedomājams iepriekšējām paaudzēm, ka varu tikai vēlēties, lai es pie tā nebūtu vainojams.

5. Secinājums

Sabiedriskā doma. Neraugoties uz acīmredzamajiem ģenētisko pētījumu un eksperimentu ieguvumiem, pats “ģenētiskās inženierijas” jēdziens ir radījis dažādas aizdomas un bailes, un ir kļuvis par bažām un pat politisku strīdu objektu. Daudzi baidās, piemēram, ka kāds vīruss, kas izraisa vēzi cilvēkiem, tiks ievadīts baktērijās, kas parasti dzīvo cilvēka ķermenī vai uz ādas, un tad šī baktērija izraisīs vēzi. Tāpat ir iespējams, ka pneimokokā tiks ievadīta plazmīda, kas satur zāļu rezistences gēnu, izraisot pneimokoku rezistenci pret antibiotikām un izraisot pneimonijas neārstēšanu. Šāda veida briesmas neapšaubāmi pastāv. Ģenētiskos pētījumus veic nopietni un atbildīgi zinātnieki, un metodes, kas samazina potenciāli bīstamo mikrobu nejaušas izplatīšanās iespēju, tiek pastāvīgi pilnveidotas. Novērtējot iespējamos draudus, ko šie pētījumi rada, tie jāsalīdzina ar patiesajām traģēdijām, ko izraisa nepietiekams uzturs un slimības, kas nogalina un sakropļo cilvēkus.

Gēnu inženierija ir viena no mūsu laika aktīvāk attīstošajām un perspektīvākajām tehnoloģijām, kas nākotnē spēs atrisināt daudzus jautājumus medicīnā un ne tikai. Mans personīgais viedoklis par vispretrunīgākajiem gēnu inženierijas jautājumiem ir vērsts uz šo tehnoloģiju izpēti un pielietošanu.

Manuprāt, organismu ģenētiskā modifikācija, saprātīgi kontrolējot šo procesu, var dažus atrisināt nopietnas problēmas mūsdienīgums. Jo īpaši ģenētiskās modifikācijas izmantošana medicīnā dažādu slimību ārstēšanā man šķiet pozitīva parādība, kas šajā zinātnes attīstības stadijā nekādas sūdzības nerada.

Kas attiecas uz ģenētiskās modifikācijas izmantošanu lauksaimniecībā un ģenētiski modificēto produktu izplatīšanu, manuprāt, to hipotētiskā bīstamība cilvēka veselībai faktiski neapstiprinās. Man šķiet, ja šo produktu standarta drošības pētījumi liecina, ka to lietošana ir iespējama, tad nekādi papildu pētījumi tiem nav nepieciešami. ĢMO šajā gadījumā būtu jāuzskata par jauna veida augu vai produktu, un, ja tas atbilst visiem standarta pārtikas nekaitīguma standartiem, to izmantošana būtu skaidri jāatļauj. Es arī piekrītu viedoklim, ka GMF, pateicoties īpašai kontrolei pār tiem, to īpašību uzlabošanai ģenētiskā līmenī un nepieciešamībai neizmantot dažādus cilvēkiem kaitīgus mēslošanas līdzekļus audzēšanas laikā, var būt pat drošāki nekā regulāri produkti lauksaimniecība.

Klonēšanas problēmas rada nopietnas ētiskas problēmas, ja runa ir par cilvēka klonēšanu. Šajā posmā argumenti par cilvēku reproduktīvās klonēšanas nepieciešamību, manuprāt, nav pietiekami pārliecinoši, un tāpēc reproduktīvās klonēšanas aizliegums man šķiet pamatots. Tomēr tas nenozīmē, ka visi pētījumi šajā jomā ir jāpārtrauc, jo, ja zinātne var nodrošināt lielāku klonu izdzīvošanas iespējamību un sabiedrība var atrisināt citus strīdīgus jautājumus, reproduktīvā klonēšana var tikt atļauta.

Arī terapeitiskās klonēšanas jautājums ir diezgan sarežģīts, jo, lai iegūtu cilmes šūnas, nepieciešams apturēt embrija attīstību, kas principā var attīstīties par bērnu. Man šķiet, ka šī ētiskā problēma savā ziņā ir līdzīga abortu problēmai. Tomēr, ņemot vērā visas lietas, es sliecos atbalstīt terapeitiskās klonēšanas atļaušanu, jo tas var glābt cilvēka dzīvību uz iespējamās dzīvības rēķina, kas tiek pārtraukta dzimšanas stadijā.

Kas attiecas uz pašu klonēšanas jautājumu izpēti un izpēti, jo īpaši par dzīvnieku reproduktīvo klonēšanu, manuprāt, tas būtu jāatļauj, jo nav saprātīgi to aizliegt saistībā ar dzīvnieku izmantošanu jebkādā citā veidā. laboratorijas pētījumi.

Izmantotās literatūras saraksts.

1. Bočkarevs A. I. Jēdzieni mūsdienu dabaszinātne: mācību grāmata augstskolu studentiem / A. I. Bočkarevs, T. S. Bočkareva, S. V. Saksonovs; ed. prof. A. I. Bočkareva. – Toljati: TGUS, 2008. – 386 lpp.

2. G96Guseihanovs M.K., Radžabovs O.R. Mūsdienu dabaszinātņu jēdzieni: mācību grāmata. - 6. izdevums, pārskatīts. un papildu - M.: Izdevniecības un tirdzniecības korporācija "Dashkov and Co", 2007. - 540 lpp.

- Tā ir cilvēkiem nepieciešamo produktu un materiālu ražošana, izmantojot dzīvos organismus, kultivētas šūnas un bioloģiskos procesus.

Biotehnoloģijas iespējas ir neparasti lieli, jo tās metodes ir izdevīgākas nekā tradicionālās: tās tiek izmantotas optimālos apstākļos(temperatūra un spiediens), produktīvāki, videi draudzīgāki un neprasa ķīmiskus reaģentus, kas saindē vidi utt.

Biotehnoloģijas objekti: daudzi dzīvo organismu grupu pārstāvji - mikroorganismi (vīrusi, baktērijas, protisti, raugi u.c.), augi, dzīvnieki, kā arī no tiem izolētas šūnas un subcelulāras struktūras (organellas). Uz biotehnoloģiju bāzes par dzīvās sistēmās notiekošajiem fizioloģiskajiem un bioķīmiskajiem procesiem, kuru rezultātā izdalās enerģija, vielmaiņas produktu sintēzi un sadalīšanos, kā arī šūnas ķīmisko un strukturālo komponentu veidošanos.

Biotehnoloģijas galvenie virzieni:

1) ar mikroorganismu un kultivētu eikariotu šūnu palīdzību bioloģiski aktīvo savienojumu (fermentu, vitamīnu, hormonālās zāles), medikamenti (antibiotikas, vakcīnas, serumi, ļoti specifiskas antivielas u.c.), kā arī olbaltumvielas, aminoskābes, ko izmanto kā barības piedevas;

2) pieteikums bioloģiskās metodes pret piesārņojumu ( bioloģiskā apstrāde notekūdeņi, augsnes piesārņojums utt.) un aizsargāt augus no kaitēkļiem un slimībām;

3) jaunu derīgu mikroorganismu celmu, augu šķirņu, dzīvnieku šķirņu u.c.

Biotehnoloģijas mērķi, metodes un sasniegumi.

Cilvēcei ir jāiemācās efektīvi mainīt dzīvo organismu iedzimto dabu, lai nodrošinātu sevi ar labas kvalitātes pārtiku un izejvielām un tajā pašā laikā nenovestu planētu uz vides katastrofa. Tāpēc tā nav nejaušība galvenais uzdevums selekcionāri mūsdienās ir kļuvuši par risinājumu problēmai radīt jaunas augu, dzīvnieku un mikroorganismu formas, kas ir labi pielāgotas rūpnieciskām ražošanas metodēm, spēj izturēt nelabvēlīgus apstākļus, efektīvi izmantot saules enerģiju un, pats galvenais, ļauj iegūt bioloģiski tīri produkti bez pārmērīga vides piesārņojuma. Pamatā jaunas pieejasŠīs pamatproblēmas risinājums ir ģenētiskās un šūnu inženierijas izmantošana selekcijā.

Ģenētiskā (ģenētiskā) inženierija -

molekulārās ģenētikas nozare, kas saistīta ar mērķtiecīgu jaunu DNS molekulu izveidi, kas spēj vairoties saimniekšūnā un kontrolēt nepieciešamo šūnu metabolītu sintēzi.

Radusies nukleīnskābju ķīmijas un mikrobu ģenētikas krustpunktā, gēnu inženierija nodarbojas ar gēnu struktūras atšifrēšanu, to sintēzi un klonēšanu, no dzīvo organismu šūnām izolētu vai tikko sintezētu gēnu ievietošanu augu un dzīvnieku šūnās, lai specifiski mainītu to iedzimtās īpašības.

Lai veiktu gēnu pārnesi (vai transģenēzi) no vienas organismu sugas uz citu, kuras izcelsme bieži vien ir ļoti tālu, ir jāveic vairākas sarežģītas operācijas:

gēnu (atsevišķu DNS fragmentu) izolēšana no šūnām baktērijas, augi vai dzīvnieki. Dažos gadījumos šī operācija tiek aizstāta ar nepieciešamo gēnu mākslīgo sintēzi;

savienojums (izšūšana) jebkuras izcelsmes atsevišķus DNS fragmentus vienā molekulā kā plazmīdas daļu;

hibrīda plazmīdas DNS ievadīšana kas satur vajadzīgo gēnu saimniekšūnās;

kopēšana (klonēšana)šī gēna jaunajā saimniekorganismā, lai nodrošinātu tā darbību.

Klonētie gēni tiek mikroinjicēti zīdītāju olās vai augu protoplastos (izolētās šūnās, kurām nav šūnu sienas) un no tiem tiek izaudzēti veseli dzīvnieki vai augi, kuru genomā tiek iebūvēti (integrēti) klonētie gēni. Tiek saukti augi un dzīvnieki, kuru genomi ir mainīti gēnu inženierijas operāciju rezultātā transgēnie augi vai transgēni dzīvnieki.

Jau iegūtas transgēnas peles, truši, cūkas, aitas, kuru genomā darbojas dažādas izcelsmes svešie gēni, tostarp baktēriju, rauga, zīdītāju, cilvēku gēni, kā arī transgēni augi ar citu, nesaistītu sugu gēniem. Transgēnie organismi norāda uz gēnu inženierijas kā molekulārās ģenētikas lietišķās nozares lielo potenciālu (piemēram, iegūta jauna transgēnu augu paaudze, kam raksturīgas tādas vērtīgas īpašības kā rezistence pret herbicīdiem, insektiem u.c.).

Mūsdienās gēnu inženierijas metodes to ir padarījušas iespējamu veikt sintēzi rūpnieciskos daudzumos tādu hormonu kā insulīns, interferons un somatotropīns (augšanas hormons), kas nepieciešami vairāku cilvēka ģenētisko slimību ārstēšanai - cukura diabēts, noteikti ļaundabīgo audzēju veidi, punduris,

Izmantojot ģenētiskās metodes, tika iegūti arī mikroorganismu celmi (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans u.c.), kas ražo desmitiem tūkstošu reižu vairāk vitamīnu (C, B 3, B 13 u.c.) nekā sākotnējās formas.

Šūnu inženierija-

metožu kopums, ko izmanto jaunu šūnu konstruēšanai. Ietver šūnu kultivēšanu un klonēšanu īpaši izvēlētā barotnē, šūnu hibridizāciju, šūnu kodolu transplantāciju un citas mikroķirurģiskas operācijas dzīvotspējīgu šūnu “izjaukšanai” un “salikšanai” (rekonstrukcijai) no atsevišķiem fragmentiem.

Pamatā šūnu inženierija slēpjas metožu izmantošanā audzēšana izolētas šūnas un audi uz mākslīgas barotnes kontrolētos apstākļos. Tas kļuva iespējams, pateicoties augu šūnu spējai reģenerācijas rezultātā no vienas šūnas izveidot veselu augu. Reģenerācijas apstākļi ir izstrādāti daudziem kultivētajiem augiem - kartupeļiem, kviešiem, miežiem, kukurūzai, tomātiem u.c.. Darbs ar šiem objektiem dod iespēju selekcijā izmantot netradicionālas šūnu inženierijas metodes - somatisko hibridizāciju, haploīdiju, šūnu selekciju, pārvarēšanu. nešķērsojamība kultūrā utt.

Klonēšana -

paņēmiens vairāku identisku organismu iegūšanai aseksuālās (tostarp veģetatīvās) vairošanās ceļā. Tādā veidā daudzas augu un dzīvnieku sugas dabā ir vairojušās miljoniem gadu. Tomēr tagad termins "klonēšana" parasti tiek lietots šaurākā nozīmē un nozīmē šūnu, gēnu, antivielu un pat daudzšūnu organismu kopēšanu laboratorijā. Eksemplāri, kas parādās aseksuālās vairošanās rezultātā, pēc definīcijas ir ģenētiski identiski, tomēr tiem var novērot iedzimtu mainīgumu, ko izraisa nejaušas mutācijas vai ir mākslīgi radīti ar laboratorijas metodēm.

Tematiskie uzdevumi

A1. Zāļu, hormonu un citu bioloģisko vielu ražošana tiek veikta tādā virzienā kā

1) gēnu inženierija

2) biotehnoloģiskā ražošana

3) lauksaimniecības nozare

4) agronomija

A2. Kad audu kultūra ir visnoderīgākā?

1) iegūstot ābolu un bumbieru hibrīdu

2) audzējot gludsēklu zirņu tīrās līnijas

3) ja nepieciešams, pārstādīt ādu cilvēkam ar apdegumu

4) iegūstot kāpostu un redīsu poliploīdās formas

A3. Lai mākslīgi ražotu cilvēka insulīnu, izmantojot gēnu inženierijas metodes rūpnieciskā mērogā, tas ir nepieciešams

1) ievada baktērijās gēnu, kas atbild par insulīna sintēzi, kas sāks sintezēt cilvēka insulīnu

2) ievada cilvēka organismā baktēriju insulīnu

3) mākslīgi sintezēt insulīnu bioķīmiskajā laboratorijā

4) audzēt cilvēka aizkuņģa dziedzera šūnu kultūru, kas ir atbildīgas par insulīna sintēzi.

Biotehnoloģija ir cilvēkiem nepieciešamo produktu un materiālu apzināta ražošana, izmantojot dzīvos organismus un bioloģiskos procesus.

Kopš neatminamiem laikiem biotehnoloģijas galvenokārt izmantotas pārtikas un vieglajā rūpniecībā: vīna darīšanā, maizes cepšanā, piena produktu raudzēšanā, linu un ādas apstrādē, pamatojoties uz mikroorganismu izmantošanu. Pēdējo desmitgažu laikā biotehnoloģijas iespējas ir ļoti paplašinājušās. Tas ir saistīts ar faktu, ka tās metodes ir ienesīgākas nekā tradicionālās tā vienkāršā iemesla dēļ, ka dzīvos organismos fermentu katalizētās bioķīmiskās reakcijas notiek optimālos apstākļos (temperatūra un spiediens), ir produktīvākas, videi draudzīgākas un nav nepieciešamas ķīmiskas vielas. reaģenti, kas saindē vidi.

Biotehnoloģijas objekti ir neskaitāmi dzīvo organismu grupu pārstāvji - mikroorganismi (vīrusi, baktērijas, vienšūņi, raugi), augi, dzīvnieki, kā arī no tiem izolētas šūnas un subcelulārie komponenti (organellas) un pat fermenti. Biotehnoloģijas pamatā ir fizioloģiski un bioķīmiski procesi, kas notiek dzīvās sistēmās, kuru rezultātā notiek enerģijas izdalīšanās, vielmaiņas produktu sintēze un sadalīšanās, kā arī šūnas ķīmisko un strukturālo komponentu veidošanās.

Biotehnoloģijas galvenais virziens ir bioloģiski aktīvo savienojumu (enzīmi, vitamīni, hormoni), medikamentu (antibiotiku, vakcīnu, serumu, augsti specifisku antivielu u.c.), kā arī vērtīgu savienojumu ražošana, izmantojot mikroorganismus un kultivētas eikariotu šūnas ( barības piedevas, piemēram, neaizvietojamās aminoskābes, barības olbaltumvielas utt.). Gēnu inženierijas metodes ir ļāvušas rūpnieciskos daudzumos sintezēt tādus hormonus kā insulīns un somatotropīns (augšanas hormons), kas nepieciešami cilvēka ģenētisko slimību ārstēšanai.

Viena no svarīgākajām mūsdienu biotehnoloģijas jomām ir arī bioloģisko metožu izmantošana vides piesārņojuma apkarošanai (notekūdeņu bioloģiskā attīrīšana, piesārņota augsne utt.).

Tādējādi, lai iegūtu metālus no notekūdeņiem, var plaši izmantot baktēriju celmus, kas spēj uzkrāt urānu, varu un kobaltu. Citas Rhodococcus un Nocardia ģints baktērijas veiksmīgi tiek izmantotas naftas ogļūdeņražu emulgācijai un sorbcijai no ūdens vides. Tie spēj atdalīt ūdens un eļļas fāzes, koncentrēt eļļu, attīrīt notekūdeņi no eļļas piemaisījumiem. Asimilējot naftas ogļūdeņražus, šādi mikroorganismi pārvērš tos olbaltumvielās, B vitamīnos un karotīnos.

Daži halobaktēriju celmi tiek veiksmīgi izmantoti mazuta izvadīšanai no smilšainām pludmalēm. Ir iegūti arī gēnu inženierijas celmi, kas var sadalīt oktānskaitli, kamparu, naftalīnu un ksilolu un efektīvi izmantot jēlnaftu.

Liela nozīme ir biotehnoloģiju metožu izmantošanai, lai aizsargātu augus no kaitēkļiem un slimībām.

Biotehnoloģija nonāk smagajā rūpniecībā, kur dabas resursu ieguvei, pārveidošanai un apstrādei izmanto mikroorganismus. Jau senos laikos pirmie metalurgi ieguva dzelzi no purva rūdām, ko ražo dzelzs baktērijas, kas spēj koncentrēt dzelzi. Šobrīd ir izstrādātas metodes vairāku citu minerālu metālu: mangāna, cinka, vara, hroma uc baktēriju koncentrācijai. Šīs metodes izmanto, lai izveidotu vecu raktuvju un nabadzīgu atradņu izgāztuves, kur tradicionālās ieguves metodes nav ekonomiski izdevīgas.

Gēnu inženierija ir viena no svarīgākajām biotehnoloģijas metodēm. Tas ietver noteiktu ģenētiskā materiāla kombināciju mērķtiecīgu mākslīgu izveidi, kas spēj normāli funkcionēt šūnā, t.i., pavairot un kontrolēt galaproduktu sintēzi. Ir vairāki gēnu inženierijas metodes veidi atkarībā no tās izmantošanas līmeņa un īpašībām.

Gēnu inženieriju galvenokārt izmanto prokariotiem un mikroorganismiem, lai gan nesen to sāka izmantot arī augstākajiem eikariotiem (piemēram, augiem). Šī metode ietver atsevišķu gēnu izolēšanu no šūnām vai gēnu sintēzi ārpus šūnām (piemēram, pamatojoties uz noteiktā gēna sintezētu messenger RNS), izolētu vai sintezētu gēnu virzītu pārkārtošanu, kopēšanu un pavairošanu (gēnu klonēšana), kā arī kā to pārnešana un iekļaušana priekšmetā, lai mainītu genomu. Tādā veidā ir iespējams panākt “svešo” gēnu iekļaušanu baktēriju šūnās un cilvēkam svarīgu savienojumu sintēzi ar baktērijām. Pateicoties tam, bija iespējams ievadīt insulīna sintēzes gēnu no cilvēka genoma E. coli genomā. Insulīnu, ko sintezē baktērijas, izmanto diabēta slimnieku ārstēšanai.

Gēnu inženierijas attīstība kļuva iespējama, pateicoties divu enzīmu atklāšanai - restrikcijas enzīmi, kas sagriež DNS molekulu stingri noteiktās vietās, un ligāzes, kas sašuj gabalus kopā. dažādas molekulas DNS savā starpā. Turklāt gēnu inženierija ir balstīta uz vektoru atklāšanu, kas ir īsas apļveida DNS molekulas, kas neatkarīgi vairojas baktēriju šūnās. Ar restrikcijas enzīmu un ligāžu palīdzību vektoros tiek ievietots nepieciešamais gēns, pēc tam panākot tā iekļaušanu saimniekšūnas genomā.

Šūnu inženierija ir metode jauna veida šūnu konstruēšanai, pamatojoties uz to kultivēšanu, hibridizāciju un rekonstrukciju. Tas ir balstīts uz šūnu un audu kultūras metožu izmantošanu. Šūnu inženierijā ir divas jomas: 1) kultūrā pārnesto šūnu izmantošana dažādu cilvēkiem noderīgu savienojumu sintēzei; 2) kultivētu šūnu izmantošana, lai no tām iegūtu reģenerētus augus.

Augu šūnas kultūrā ir svarīgs vērtīguma avots dabiskās vielas, jo tie saglabā spēju sintezēt tām raksturīgās vielas: alkaloīdus, ēteriskās eļļas, sveķus, bioloģiski aktīvus savienojumus. Tādējādi kultūrā pārnestās žeņšeņa šūnas turpina sintezēt, tāpat kā visa auga sastāvā, vērtīgas zāļu izejvielas. Turklāt kultūrā var veikt jebkādas manipulācijas ar šūnām un to genomiem. Izmantojot inducēto mutaģenēzi, ir iespējams paaugstināt kultivēto šūnu celmu produktivitāti un veikt to hibridizāciju (tajā skaitā attālo hibridizāciju) daudz vieglāk un vienkāršāk nekā visa organisma līmenī. Turklāt ar tiem, tāpat kā ar prokariotu šūnām, var veikt gēnu inženierijas darbu.

Hibridizējot limfocītus (šūnas, kas sintezē antivielas, bet kultūrā aug negribīgi un uz neilgu laiku) ar audzēja šūnām, kurām ir potenciāls nemirstība un kuras spēj neierobežoti augt mākslīgā vidē, ir atrisināta viena no svarīgākajām biotehnoloģijas problēmām. mūsdienu skatuve- iegūtas hibridomas šūnas, kas spēj bezgalīgi sintēzēt noteikta veida ļoti specifiskas antivielas.

Tādējādi šūnu inženierija ļauj konstruēt jauna tipa šūnas, izmantojot mutācijas procesu, hibridizāciju un turklāt apvienot atsevišķus dažādu šūnu fragmentus (kodoli, mitohondriji, plastidi, citoplazma, hromosomas utt.), dažāda veida šūnas. , kas saistīti ne tikai ar dažādām ģintīm, dzimtām, bet arī karaļvalstīm. Tas atvieglo daudzu teorētisku problēmu risināšanu un tam ir praktiska nozīme.

Šūnu inženierija tiek plaši izmantota augu selekcijā. Izstrādāti tomātu un kartupeļu, ābolu un ķiršu hibrīdi. No šādām šūnām reģenerēti augi ar mainītu iedzimtību ļauj sintezēt jaunas formas un šķirnes, kurām ir labvēlīgās īpašības un izturīgs pret nelabvēlīgiem vides apstākļiem un slimībām. Šo metodi plaši izmanto arī vīrusu slimību skarto vērtīgo šķirņu “glābšanai”. No to asniem kultūrā tiek izolētas vairākas apikālas šūnas, kuras vīruss vēl nav skārusi, un no tām vispirms mēģenē atjauno veselīgus augus, pēc tam pārstāda augsnē un pavairo.



Šūnu inženierija

Šūnu inženierija– šūnu audzēšana ārpus ķermeņa uz īpašām barotnēm, kur tās aug un vairojas, veidojot audu kultūru. Šī ir metode jauna veida šūnu konstruēšanai, pamatojoties uz to kultivēšanu, hibridizāciju un rekonstrukciju. Šūnu rekonstrukcija saistīta ar dzīvotspējīgas šūnas izveidi no atsevišķiem dažādu šūnu fragmentiem (kodols, citoplazma, hromosomas utt.). Ar šūnu inženierijas palīdzību iespējams savienot ļoti tālu sugu genomus. Parādīta fundamentālā iespēja somatisko dzīvnieku šūnu saplūšanai ar augu šūnām. Hibrīdšūnu izpēte dod iespēju atrisināt daudzas bioloģijas un medicīnas teorētiskās problēmas: noskaidrot kodola un citoplazmas savstarpējās ietekmes; šūnu diferenciācijas mehānismi un šūnu reprodukcijas regulēšana, normālu šūnu transformācija vēža šūnās u.c.

Plkst hibridizācija mākslīgi apvienot veselas šūnas (šūnu protoplastus), veidojot hibrīds genoms. Izmantojot fermentus vai ultraskaņu, tiek noņemtas augu šūnu šūnu sienas un savienoti “kailie” šūnu protoplasti. Pēc tam šūnu sienas tiek atjaunotas un veidojas kalluss- neorganizēta šūnu masa, kas izraisa šūnu diferenciāciju, no kuras iegūst veselu hibrīdaugu.

Šūnu inženierija tiek plaši izmantota biotehnoloģijā, piemēram, izmantošana hibrīdi(hibrīdšūnas), lai ražotu monoklonālās antivielas. Pamatojoties uz ģenētiski modificētām šūnām, ir iespējams izveidot jaunas augu formas, kurām ir noderīgas īpašības un kuri ir izturīgi pret labvēlīgiem vides apstākļiem un slimībām.

gēnu inženierija - mākslīgā genoma pārkārtošanās. Molekulārās ģenētikas nozare, kas saistīta ar mērķtiecīgu jaunu ģenētiskā materiāla kombināciju izveidi in vito (in vitro), kas spēj vairoties saimniekšūnā un sintezēt vielmaiņas produktus. To pavada nepieciešamo gēnu mākslīga pārnešana no viena veida dzīvo organismu (baktērijas, augi, dzīvnieki) uz citu, bieži vien tālu pēc izcelsmes. Gēnu terapijai tiek izmantotas mūsdienu gēnu tehnoloģijas, t.i. iedzimtu slimību ārstēšana, ieviešot cilvēkam “veselīgus” gēnus.

Mūsdienu biotehnoloģijas augstākais sasniegums ir ģenētiskā transformācija, svešu gēnu un citu materiālo iedzimtības nesēju pārnešana augu, dzīvnieku un mikroorganismu šūnās, transgēnu organismu ražošana ar jaunām vai uzlabotām īpašībām un īpašībām. Runājot par saviem mērķiem un iespējām nākotnē, šis virziens ir stratēģisks. Tas ļauj atrisināt fundamentālas problēmas bioloģisko objektu atlasē, lai nodrošinātu stabilitāti, augstu produktivitāti un produkcijas kvalitāti, vienlaikus uzlabojot vides situāciju visos ražošanas veidos. Taču, lai šos mērķus sasniegtu, jāpārvar milzīgas grūtības ģenētiskās transformācijas efektivitātes paaugstināšanā un, galvenais, gēnu identificēšanā, to klonēšanas banku veidošanā, bioloģisko objektu pazīmju un īpašību poligēnās noteikšanas mehānismu atšifrēšanā, augsta gēnu nodrošināšanā. izteiksmi un uzticamu vektoru sistēmu izveidi. Jau šobrīd daudzās pasaules laboratorijās, arī Krievijā, izmantojot gēnu inženierijas metodes, ir radīti principiāli jauni transgēni augi, dzīvnieki un mikroorganismi, kas ieguvuši komerciālu atzinību.

Mūsdienu biotehnoloģija

Mūsdienu biotehnoloģija cieši saskaras ar vairākām zinātnes disciplīnām, veicot to praktisko pielietojumu vai ir to galvenais instruments (1. att.).

Rīsi. 1. Biotehnoloģijas saistība ar citām zinātnēm (pēc V.I. Kefeli, 1989)

Molekulārajā bioloģijā biotehnoloģisko metožu izmantošana ļauj noteikt genoma uzbūvi, izprast gēnu ekspresijas mehānismu, modelēt šūnu membrānas, lai pētītu to funkcijas u.c. Nepieciešamo gēnu konstruēšana, izmantojot gēnu un šūnu inženierijas metodes, ļauj kontrolēt dzīvnieku, augu un mikroorganismu iedzimtību un vitālo aktivitāti un radīt organismus ar jaunām, cilvēkam noderīgām īpašībām, kas iepriekš dabā nav novērotas.

Mikrobioloģijas nozare pašlaik izmanto tūkstošiem dažādu mikroorganismu celmu. Vairumā gadījumu tos uzlabo inducēta mutaģenēze un sekojoša atlase. Tas ļauj masveidā sintezēt dažādas vielas.

Dažus proteīnus un sekundāros metabolītus var iegūt, tikai kultivējot eikariotu šūnas. Augu šūnas var kalpot kā vairāku savienojumu avots – atropīns, nikotīns, alkaloīdi, saponīni utt. Dzīvnieku un cilvēku šūnas ražo arī vairākus bioloģiski aktīvus savienojumus. Piemēram, hipofīzes šūnas satur lipotropīnu, tauku sadalīšanās stimulatoru, un somatotropīnu, hormonu, kas regulē augšanu.

Ir izveidotas nepārtrauktas dzīvnieku šūnu kultūras, kas ražo monoklonālās antivielas, ko plaši izmanto slimību diagnosticēšanai. Bioķīmijā, mikrobioloģijā un citoloģijā neapšaubāmi interesē gan fermentu, gan veselu mikroorganismu, augu un dzīvnieku šūnu imobilizācijas metodes. Veterinārmedicīnā plaši tiek izmantotas tādas biotehnoloģiskās metodes kā šūnu un embriju kultūra, in vitro ooģenēze un mākslīgā apsēklošana. Tas viss liecina, ka biotehnoloģijas kļūs par ne tikai jaunu pārtikas produktu un medikamentu, bet arī enerģijas un jaunu ķīmisko vielu, kā arī organismu ar vēlamām īpašībām avotu.