6.1 Genteknologi, prinsipper, muligheter. Bruksområder for biologiske midler oppnådd ved genteknologiske metoder

Ved optimalisering av enhver bioteknologisk prosess som involverer levende organismer, er hovedinnsatsen vanligvis rettet mot å forbedre deres genetiske egenskaper. Tradisjonelt ble mutagenese brukt til disse formålene, etterfulgt av screening og utvalg av passende varianter. I dag har det skjedd enorme endringer på dette området. For tiden utvikles og brukes fundamentalt nye metoder basert på rekombinant DNA-teknologi. Modifisering av genetisk materiale utføres ved forskjellige metoder: i henholdsvis en levende organisme (in vivo) og utenfor den (in vitro), er dette to retninger - mobilteknologi

riya og genteknologi.

Ved hjelp av disse metodene er det mulig å skaffe nye høyproduktive produsenter av humane proteiner og peptider, antigener, virus osv. Utviklingen av gen- og celleteknologi fører til at den bioteknologiske industrien i økende grad erobrer nye produksjonsområder. Grunnlaget for fremveksten av de nyeste metodene for bioteknologi var funn innen genetikk, molekylbiologi, genetisk enzymologi, virologi, mikrobiologi og andre disipliner.

Den raske introduksjonen av de siste grunnleggende fremskrittene i praksis og den betydelige innvirkningen av sistnevnte på nivået av teoretisk forskning som er iboende i bioteknologi, demonstreres tydeligst av utviklingen av genteknologi.

Det viktigste stadiet i utviklingen av bioteknologi var separasjonen av molekylærbiologi i en selvstendig disiplin i midten av det nåværende århundret. Fremveksten av molekylærbiologi ble mulig takket være samspillet mellom genetikk, fysikk, kjemi, biologi, matematikk, etc. E. Chargoff og Z. D. Hotchkiss, som studerte de molekylære forholdene mellom nukleotidbaser i DNA (adenin, guanin, cytosin, tymin) viste at i ulike organismer er de like. Denne oppdagelsen spilte en nøkkelrolle i å etablere strukturen til DNA. Fremskritt innen genetikk til bakterier og bakteriofager spilte en stor rolle i å dechiffrere strukturen til DNA. Det ble etablert (A. Hershey, M. Chase, J. Lederberg, N. Zinder) at transduktor-

sjon (overføring av genetisk materiale) kan utføres ved hjelp av en bakteriofag, og fag-DNA kan spille rollen som bærer av arv. B. Hayes klargjorde også mønstrene for den seksuelle prosessen i bakterier(bøying) , der fra donorceller har F-faktor (fertilitet), genetisk materiale overføres til mottakeren

innkommende celler. J. Watson og F. Crick foreslo en komplementær modell av strukturen til DNA og mekanismen for dets replikasjon; En unik egenskap ved DNA ble oppdaget - evnen til selvreproduksjon (replikasjon).

Basert på molekylærbiologi og genetikk til mikroorganismer, på begynnelsen av 60-tallet. molekylær genetikk ble dannet. G. Gamow fremsatte i 1954 hypotesen om at hvert kodon (en sekvens av nukleotider som koder for én aminosyre) skulle bestå av tre nukleotider. I 1961 ble det bekreftet eksperimentelt at den primære strukturen til et protein er kodet i DNA som en sekvens av nukleotidtripletter (kodoner), som hver tilsvarer en av 20 aminosyrer. I 1966 var det mulig å skaffe data om strukturen genetisk kode.

Det neste spørsmålet var hvordan informasjon overføres fra DNA som ligger i kjernen til cytoplasmaet, hvor proteinsyntese skjer på ribosomer. Det ble funnet at sekvensen av triplettkodoner lagret i DNA transkribert(omskrevet) til kortlivede molekyler av in-

formasjons-RNA (mRNA). Dette DNA → mRNA-stadiet ble kalt trans-

transkripsjon, og mRNA → proteinstadiet – translasjon . Overføringen av en aminosyre og bestemmelsen av dens plassering i det syntetiserte proteinmolekylet utføres av overføre RNA (tRNA) . RNA syntetiseres på DNA, som en matrise, og protein syntetiseres på RNA. Noen virus mangler det første leddet, og RNA fungerer som arvestoffet for dem.

Mekanisme for kontroll av genaktivitet i lang tid forble ukjent. Veldig viktig hadde arbeidet til F. Jacob og J. Monod, som viste at bakterier har strukturelle gener, gi informasjon om syntesen av visse proteiner og regulatoriske gener som slår på eller av individuelle gener eller blokkeringene deres. Det viste seg videre at genregulering etter dette prinsippet også forekommer i andre organismer. Det finnes også andre reguleringsmekanismer.

Det neste viktige trinnet var å utføre arbeid med å dechiffrere nukleotidsekvensene (sekvensering), som gir informasjon om den primære strukturen til en genomregion som utfører visse funksjoner. Struktur og funksjoner har fått et generelt molekylærbiologisk uttrykk dens essens ligger i det faktum at funksjonelle tilstander uttrykker strukturelle endringer i makromolekyler og assosiasjoner.

Fra å studere funksjonsmønstrene til genetisk materiale i en celle, gikk forskerne snart over til genetisk manipulasjon. En ny eksperimentell teknologi har dukket opp som innebærer å introdusere fremmede gener i celler. Navnene "genetisk (eller genetisk) engineering" eller "arbeide med rekombinant DNA" er likeverdige. Essensen av denne tekno-

logikk er i gjenforening av DNA-fragmenter in vitro med påfølgende

generell introduksjon av nye (“rekombinante”) genetiske strukturer i en levende celle.

I 1972 skapte Berg og kollegene det første rekombinante DNA-molekylet, bestående av et DNA-fragment av OB40-viruset og en bakteriofag

6. CELLULÆR OG GENETIKK

6.1 Genteknologi, prinsipper, muligheter. Bruksområder biologisk. midler oppnådd ved genetiske metoder. engineering

λ dvgal med galaktoseoperon E coli. To grupper av enzymer ble verktøy for genetisk design: restriksjonsendonukleaser (restriksjonsenzymer) og ligaser. De første er nødvendige for å få en

native DNA-fragmenter, den andre - for deres forbindelse. Restriksjonsenzymer og ligaser, sammen med andre enzymer (nukleaser, revers transkriptase, DNA-polymerase, etc.) sikrer alle genteknologiske manipulasjoner.

E. coli-plasmidet spaltes av et restriksjonsenzym i begge deler av DNA for å danne uparrede nukleotider (TTAA eller AATT) i endene. Genet spaltes ved bruk av det samme restriksjonsenzymet med dannelse av sekvenser (AATT og TTAA) i endene som er komplementære til plasmidet. Både DNA (gen og plasmid) er smeltet sammen ved hjelp av ligase. Hybridplasmidet introduseres i E. coli, som ved reproduksjon danner en klon, hvor alle celler inneholder det rekombinante plasmidet og det fremmede genet. Genet klones i en bakteriecelle og induserer proteinsyntese i den.

In vitro-genteknologien inkluderer flere sekvensielle prosedyrer (lysbilde):

- oppnå det ønskede genet;

- dets integrering i et genetisk element som er i stand til replikasjon (vektor);

- introduksjon av genet inkludert i vektoren i mottakerorganisme;

- identifikasjon (screening) og seleksjon av celler som har ervervet det eller de ønskede genene.

Innhenting av gener. Gener kan oppnås på flere måter: isolering fra DNA, kjemisk-enzymatisk syntese og enzymatisk syntese.

Isolering av gener fra DNA utføres ved bruk av restriksjonsenzymer som katalyserer spaltningen av DNA i områder som har visse nukleotidsekvenser (4–7 nukleotidpar). Spaltning kan utføres i midten av en gjenkjennelig region av nukleotidpar; i dette tilfellet "kuttes" begge DNA-trådene på samme nivå. De resulterende DNA-fragmentene har såkalte butte ender. DNA-spalting er mulig med et skift, med en av trådene som stikker ut av flere nukleotider. De "klebrige" endene som dannes i dette tilfellet, på grunn av deres komplementaritet, samhandler.

En nukleotidsekvens med klebrige ender kan festes til en vektor (forhåndsbehandlet med samme restriksjonsenzym) og omdannes til en sirkulær sekvens som et resultat av tverrbinding av gjensidig komplementære ender med ligaser. Metoden har betydelige ulemper, siden det er ganske vanskelig å velge virkningen av enzymer for streng isolering av det ønskede genet. Sammen med genet fanges "ekstra" nukleotider, eller omvendt, enzymer avskjærer en del av genet og gjør det til et funksjonelt defekt.

Kjemisk-enzymatisk syntese brukes hvis den primære strukturen til proteinet eller peptidet hvis syntese genet koder for er kjent. Full kunnskap om nukleotidsekvensen til genet er nødvendig. Denne metoden tillater

6. CELLULÆR OG GENETIKK

6.1 Genteknologi, prinsipper, muligheter. Bruksområder biologisk. midler oppnådd ved genetiske metoder. engineering

nøyaktig gjenskape den ønskede nukleotidsekvensen, og også inngå

gener, steder for gjenkjennelse av restriksjonsenzymer, regulatoriske sekvenser osv. Metoden består av kjemisk syntese av enkelttrådede DNA-fragmenter (oligonukleotider) på grunn av trinnvis dannelse av esterbindinger mellom nukleotider, vanligvis 8-16 enheter . For tiden er det "genmaskiner" som, under kontroll av en mikroprosessor, veldig raskt syntetiserer spesifikke korte sekvenser av enkelttrådet DNA. Lysbildet viser et diagram av en slik maskin, designet av det kanadiske selskapet Bio Logics. Ønsket rekkefølge av baser legges inn på tastaturet. Mikroprosessoren åpner ventiler gjennom hvilke nukleotider, samt nødvendige reagenser og løsningsmidler, sekvensielt tilføres syntesekolonnen ved hjelp av en pumpe. Kolonnen er fylt med silisiumkuler som DNA-molekyler samles på. Denne enheten kan syntetisere kjeder med en lengde på opptil 40 nukleotider med en hastighet på 1 nukleotid på 30 minutter. De resulterende oligonukleotidene er kryssbundet med hverandre ved bruk av DNA-ligase for å danne et dobbelttrådet nukleotid. Ved å bruke denne metoden ble gener for A- og B-kjedene til insulin, proinsulin, somatostatin, etc. oppnådd.

Enzymatisk gensyntese basert på isolert messenger RNA

(mRNA) er for tiden den vanligste metoden. Først blir messenger-RNA-er isolert fra celler, blant annet er det mRNA kodet av genet som må isoleres. Deretter, under utvalgte forhold, på mRNA isolert fra cellen, som på en matrise, ved å bruke revers transkriptase (revertase) en DNA-streng som er komplementær til mRNA (cDNA) syntetiseres. Mottatt komplementært DNA(cDNA) fungerer som en mal for syntesen av den andre DNA-strengen ved bruk av DNA-polymerase eller reversease. Primeren i dette tilfellet er et oligonukleotid komplementært til 3'-enden av mRNA; en ny DNA-streng dannes fra deoksynukleosidtrifosfater i nærvær av magnesiumioner. Metoden ble brukt med stor suksess for å skaffe genet for humant veksthormon (somatotropin) i 1979.

Genet som oppnås på en eller annen måte inneholder informasjon om strukturen til proteinet, men kan ikke implementere det selv. Derfor er det nødvendig med ytterligere mekanismer for å kontrollere virkningen av genet.

Overføringen av genetisk informasjon til mottakercellen utføres som en del av en vektor. En vektor er som regel et sirkulært DNA-molekyl som er i stand til uavhengig replikasjon. Genet danner sammen med vektoren rekombinant DNA.

Konstruksjon av rekombinant DNA. Med normal administrasjon

bakteriell celle-DNA utsettes for enzymatisk angrep, som et resultat av at det blir ødelagt. For å forhindre at dette skjer, brukes vektor-DNA-molekyler som, når de innføres i en celle, kan eksistere autonomt og replikere når cellen deler seg. Vektoren inneholder også en genetisk egenskap som er nødvendig for påfølgende gjenkjennelse og seleksjon av transgene organismer. Antibiotikaresistensgener brukes vanligvis som markørgener.

6. CELLULÆR OG GENETIKK

6.1 Genteknologi, prinsipper, muligheter. Bruksområder biologisk. midler oppnådd ved genetiske metoder. engineering

Konstruksjonen av rekombinant DNA utføres in vitro med isolert DNA ved bruk av restriksjonsendonukleaser, som spalter vektoren på ett sted, og konverterer den fra en sirkulær form til en lineær med dannelse av klebrige ender komplementære til endene av input-DNA. De komplementære endene av vektoren og det introduserte genet er forbundet med ligase. Det resulterende rekombinante DNA lukkes ved å bruke den samme DNA-ligasen for å danne et sirkulært molekyl.

Plasmider og virus brukes som vektorer. Virus transporteres fra celle til celle og kan raskt infisere hele kroppen på kort tid. Et viktig problem ved bruk av dem er demping (svekkelse av patogenisitet for verten); derfor er det ikke åpenbart at celler infisert med viruset vil overleve og kunne overføre det endrede genetiske programmet til deres avkom. De vanligste vektorene er multikopiplasmider med en molekylvekt på 3–10 kb. De første plasmidene ble isolert fra bakterier, og deretter begynte de å bli konstruert ved hjelp av genteknologiske metoder.

Metodisk bruk av generelle vektorer er en enkel oppgave som ikke krever spesialutstyr. De mest brukte plasmidvektorene for kloning er E. coli-plasmider (pBR322, pBR325, pACYC117, pACYC 184), samt de som er konstruert på basis av CoIEI-plasmidet. Moderne plasmidvektorer i nærvær av kloramfenikol er i stand til replikering, uavhengig av kromosomdeling, kan antall plasmidkopier øke til 1–2,103 kopier per celle.

Når man skaffer et bibliotek av gener fra planter og høyerestående dyr, hvor den totale genomlengden er opptil 3109 eller mer, spiller kapasiteten til vektoren ofte en avgjørende rolle. I dette tilfellet brukes fag λ DNA som en vektor. Ved hjelp av spesielle metoder introduseres rekombinant DNA direkte i faghodene. Plasmider – kosmider (opptil 40 kb) har en enda større kapasitet, der cos-fragmentet av fag λ-genomet er involvert i å pakke DNA inn i fagpartikkelen i det siste utviklingsstadiet. For DNA-pakking må DNAet inneholde en COS-region og ha omtrent samme størrelse som faggenomet. De oppnådde metodene for å pakke DNA inn i et faghode ved bruk av kosmider gjør det mulig å skaffe genbiblioteker fra nesten hvilken som helst organisme.

Overføring av gener til celler i mottakerorganismen. Overføring av rekombinant

nant DNA utføres ved transformasjon eller konjugering. Transformasjon er prosessen med å endre de genetiske egenskapene til en celle som et resultat av penetrering av fremmed DNA inn i den. Det ble først oppdaget i pneumokokker av F. Giffith, som viste at noen celler av ikke-virulente bakteriestammer, når de infiserer mus sammen med virulente stammer, får patogene egenskaper. Lengre

6. CELLULÆR OG GENETIKK

6.1 Genteknologi, prinsipper, muligheter. Bruksområder biologisk. midler oppnådd ved genetiske metoder. engineering

transformasjon er påvist og studert i forskjellige bakteriearter.

Det er fastslått at bare noen få såkalte kompetente celler (i stand til å inkorporere fremmed DNA og syntetisere et spesielt transformerende protein) er i stand til transformasjon. Kompetansen til en celle bestemmes også av miljøfaktorer. Dette kan forenkles ved å behandle celler med polyetylenglykol eller kalsiumklorid. Etter penetrering i cellen brytes en av de rekombinante DNA-trådene ned, og den andre, på grunn av rekombinasjon med en homolog region av mottaker-DNA, kan inkluderes i et kromosom eller en ekstrakromosomal enhet. Transformasjon er den mest universelle måten å overføre genetisk informasjon og har høyeste verdi for genetiske teknologier.

Konjugering er en av metodene for utveksling av genetisk materiale, der det er en ensrettet overføring av genetisk informasjon fra giveren til mottakeren. Denne overføringen er under kontroll av spesielle konjugative plasmider (fertilitetsfaktor). Overføringen av informasjon fra donorcellen til mottakercellen skjer gjennom spesielle genital villi (pili). Det er også mulig å overføre informasjon ved hjelp av ikke-konjugative plasmider med deltakelse av hjelpeplasmider.

Overføringen av hele settet med gener til et virus eller fag, som fører til utvikling av fagpartikler i cellen, kalles transfeksjon. Teknikken, slik den brukes på bakterieceller, innebærer å skaffe sfæroplaster, rense inkubasjonsmediet fra nukleaser og tilsette renset fag-DNA (tilstedeværelsen av protaminsulfat øker effektiviteten av transfeksjon). Teknikken kan brukes på dyre- og planteceller ved bruk av spesielle skyttelvirale vektorer.

Screening og seleksjon av rekombinante celler. Etter overføring av designet

ruert DNA, som regel er det bare en liten del av mottakercellene som får det nødvendige genet. Derfor er et veldig viktig skritt identifiseringen av celler som bærer målgenet.

I det første trinnet identifiseres og selekteres celler som bærer vektoren som DNA-overføringen utføres på grunnlag av. Seleksjon utføres ved hjelp av genetiske markører som markerer vektoren. Hovedmarkørene er antibiotikaresistensgener. Derfor utføres seleksjon ved å så celler på medier som inneholder et spesifikt antibiotikum. Etter såing på disse mediene vokser bare celler som inneholder en vektor med antibiotikaresistensgener.

På det andre trinnet velges celler som bærer vektoren og målgenet. For dette brukes to grupper av metoder: 1) basert på direkte analyse av DNA fra mottakerceller og 2) basert på identifisering av egenskapen kodet av målgenet. Ved bruk av den første gruppen av metoder, isoleres vektor-DNA fra celler som angivelig inneholder det ønskede genet, og det søkes etter regioner som bærer dette genet. Deretter sekvenseres en del av nukleotidsekvensen til genet.

6. CELLULÆR OG GENETIKK

6.1 Genteknologi, prinsipper, muligheter. Bruksområder biologisk. midler oppnådd ved genetiske metoder. engineering

En annen metode er mulig - hybridisering av DNA isolert fra celler med en sonde (ønsket gen eller dets tilsvarende mRNA); Det isolerte DNA omdannes til en enkelttrådet tilstand og interagerer med proben. Deretter bestemmes tilstedeværelsen av dobbelttrådede hybrid-DNA-molekyler. I det andre alternativet er det mulig å direkte velge celler som syntetiserer protein - produktet av transkripsjon og translasjon av målgenet. Selektive medier brukes også som støtter veksten av kun celler som har ervervet genmålet.

Ved hjelp av genteknologiske metoder er det mulig å konstruere nye former for mikroorganismer i henhold til en gitt plan, i stand til å syntetisere en rekke produkter, inkludert eukaryote organismer. Rekombinante mikrobielle celler formerer seg raskt under kontrollerte forhold og er i stand til å bruke en rekke substrater, inkludert rimelige.

Hovedproblemene som oppstår under genetisk manipulasjon er som følger: 1) under transformasjon blir gener som kommer inn i et fremmed miljø utsatt for proteaser, så de må beskyttes; 2) som regel akkumuleres produktet av det transplanterte genet i celler og slippes ikke ut i miljøet; 3) de mest ønskelige egenskapene er ikke kodet av ett, men av en gruppe gener. Alt dette kompliserer overføringen betydelig og krever utvikling av teknologi for sekvensiell transplantasjon av hvert gen.

Til dags dato har genteknologi mestret alle levende riker. Det fenotypiske uttrykket av "fremmede" gener (uttrykk) er oppnådd i bakterier, gjær, sopp, planter og dyr. Strålende suksesser har blitt oppnådd på cellene til de mest omfattende studerte mikroorganismene. Tiden med rekombinant DNA i planter og høyerestående dyr har så vidt begynt. Innenfor genteknologi av dyr, kloning

gener av mus β-globin, fag λ. I tillegg til nyreceller fra afrikanske grønne aper, testes nye typer dyrecellekultur, inkludert menneskeceller. For eksempel, i sigøynermøllceller ved bruk av en viral vektor, var det mulig å oppnå ekspresjon av det humane β-interferon-genet. Dette genet har også blitt klonet i pattedyrceller. I human genteknologi, som i genteknologi av planter, er vevsspesifikk genuttrykk ennå ikke oppnådd. Løsninger på dette problemet søkes ved å introdusere visse promoterregulatoriske regioner i konstruerte vektorer. Muligheten for å forbedre landbruksdyreraser er fortsatt en ganske fjern oppgave. Til dags dato er det praktisk talt ingen informasjon om genetikken til slike egenskaper som fruktbarhet, melkeproduksjon og fettinnhold, økt motstand mot sykdommer osv. Dette hindrer forsøk på genetisk manipulasjon i dette området.

Genteknologi gir ikke bare nye produsenter av verdifulle forbindelser i hendene på bioteknologer, men forbedrer og øker effektiviteten til verdifulle egenskaper til tradisjonelt brukte organismer. Felles

6. CELLULÆR OG GENETIKK

6.1 Genteknologi, prinsipper, muligheter. Bruksområder biologisk. midler oppnådd ved genetiske metoder. engineering

En av de beste metodene for å øke utbyttet av nyttig produkt er amplifikasjon

tion – økning i antall genkopier . Utdanning av mange målpro-

produkter (aminosyrer, vitaminer, antibiotika, etc.) er preget av en lang biokjemisk syntesevei, som ikke kontrolleres av en, men av dusinvis av gener. Isolering av disse genene og kloning ved hjelp av amplifikasjon er en ganske vanskelig, men i noen tilfeller mulig, oppgave. En økning i utbyttet av nyttig produkt oppnås også ved bruk av lokale

lysert (stedspesifikk) mutagenese in vitro : Ved bruk av kjemisk mutagenese blir ikke hele genomet til cellen behandlet, men fragmentet oppnådd gjennom restriksjon.

6.2 Teknologier for genetisk design av organismer in vitro. Kilder til DNA for genkloning (restriksjon, enzymatisk og kjemisk-enzymatisk gensyntese).

Metoder for å introdusere DNA Ekspresjon av gener i rekombinant DNA. Genteknologi av industrielt viktige produsenter av insulin, somatotropin, interferoner

Utviklingen av rekombinant DNA-teknologi gjør det mulig å isolere eukaryote gener og uttrykke dem i heterologe systemer. For tiden gjør genteknologiske metoder det mulig å konstruere genetiske systemer som er i stand til å fungere i prokaryote og eukaryote celler. Disse egenskapene brukes til å skape organismer med nye verdifulle egenskaper, for eksempel bakteriestammer som er i stand til å syntetisere eukaryote proteiner.

Blant proteinproduktene av stor interesse er biologisk aktive stoffer som hormoner. Protein- og peptidhormoner inntar en viktig plass blant dem. Disse hormonene, hvorav mange er påtrengende i medisin, ble inntil nylig oppnådd ved ekstraksjon fra dyrevev, forutsatt at hormonet ikke hadde en uttalt artsspesifisitet. Det ble gjort forsøk på å oppnå relativt korte peptidhormoner ved kjemisk syntese. Men denne produksjonsmetoden viste seg å være ulønnsom selv for molekyler bestående av flere dusin enheter. Den eneste kilden til hormoner med ekstremt uttalt artsspesifisitet (veksthormon somatotropin) var organene til avdøde mennesker.

Fremskritt innen genteknologi har vekket forhåpninger om muligheten for kloning av gener for syntese av en rekke hormoner i mikrobielle celler. Disse forhåpningene ble i stor grad rettferdiggjort, først av alt, av eksemplet med mikrobiologiske syntese av peptidhormoner.

De første vellykkede resultatene på ekspresjonen av en kjemisk syntetisert DNA-nukleotidsekvens som koder for 14-mer peptidhormonet somatostatin (somatotropinantagonist) ble oppnådd i 1977 i USA av Genetek-selskapet. For å forhindre ødeleggelsesprosessen

6. CELLULÆR OG GENETIKK

For å studere hormonet i bakterieceller under påvirkning av peptidase, brukte forfatterne en tilnærming som senere ble brukt med hell for å oppnå andre peptidhormoner. Et hybridgen ble konstruert, hvorav en del ble tatt fra genet for β-galaktosidase-enzymet til Escherichia coli, og resten var et fragment som koder for somatostatin i seg selv (fragmentet ble syntetisert kjemisk). Tatt inn bakterieceller hybridgenet styrte syntesen av et kimærprotein bestående av mer enn 90 % av aminosyresekvensen til β-galaktosidase. Resten var somatostatin. Ved krysset mellom regionen til de to opprinnelige genene var det et kodon for aminosyren metionin. Sistnevnte gjorde det mulig å behandle hybridproteinet med cyanogenbromid, som bryter peptidbindingen dannet av metionin; somatostatin ble funnet blant nedbrytningsproduktene. Denne tilnærmingen har blitt brukt for å oppnå mange peptidhormoner (A- og B-kjeder av insulin, nevropeptid lehenkefalin, bradykinin, angiotensin, etc.).

Ved hjelp av genteknologiske metoder er det skapt superproduserende mikroorganismer på kort tid, noe som gjør det mulig å få en rekke virale og animalske proteiner i høye avlinger. Det er laget stammer der opptil 20 % av celleproteinet består av genmanipulerte produkter, for eksempel kuantigen av hepatitt B-viruset, hovedkapsidantigenet til munn- og klovsykeviruset, kalverennin, overflateantigen. av hepatitt B-virus osv.

Fremstilling av rekombinant insulin. Hormonet insulin er bygget opp av to polypeptidkjeder, A og B, henholdsvis 20 og 30 aminosyrer lange. Rekkefølgen av kretsløp ble etablert i 1955 av Sanger. Syntesen av begge kjedene, inkludert 170 kjemiske reaksjoner, ble realisert i USA, Tyskland og Kina i 1963. Men det viste seg å være umulig å overføre en så kompleks prosess til industrien. Frem til 1980 ble insulin oppnådd ved å isolere det fra bukspyttkjertelen (bukspyttkjertelen til en ku veier 200–250 g, og for å oppnå 100 g krystallinsk insulin kreves det opptil 1 kg råvarer). Derfor ble ikke behovene for det fullt ut tilfredsstilt. I 1979, av 6 millioner registrerte pasienter med diabetes, fikk altså bare 4 millioner mennesker insulin. I 1980 utviklet det danske selskapet Novo Industry en metode for å omdanne svineinsulin til humant insulin ved enzymatisk erstatning av alaninresten, som er 30 aminosyre i kjede B, til treoninresten. Som et resultat ble enkomponent humant insulin 99 oppnådd% renslighet. I dyrets kropp er to polypeptidkjeder i utgangspunktet deler av ett proteinmolekyl 109 aminosyrer langt - dette er preproinsulin. Når de syntetiseres i bukspyttkjertelceller, tjener de første 23 aminosyrene som et signal for transport av molekylet over cellemembranen. Disse aminosyrene spaltes for å danne proinsulin, som er 86 aminosyrer langt.

I 1980 isolerte Gilbert og medarbeidere insulin mRNA fra en rotte bukspyttkjertel β-celletumor (manipulasjon var ikke tillatt på den tiden).

6. CELLULÆR OG GENETIKK

6.2 Teknologier for genetisk design av organismer nvitro. Kilder til DNA for genkloning. Metoder for å introdusere DNA...

å bli påvirket av menneskelige gener). Den resulterende DNA-kopi av mRNA ble satt inn i pBR 322-plasmidet i midtre del penicillinase-genet (enzymet frigjøres normalt fra cellen), som ble transportert inn i bakterien. Det konstruerte plasmidet viste seg å inneholde informasjon om strukturen til proinsulin, og ikke preproinsulin. Under translasjon av mRNA i E. coli-celler ble et hybridprotein inneholdende penicillinase- og proinsulinsekvenser syntetisert. Hormonet fra dette proteinet ble spaltet med trypsin. Det er bevist at proteinet som oppnås på denne måten påvirker sukkermetabolismen på en lignende måte som bukspyttkjertelhormonet. I 1979, i USA, ble gener som koder for A- og B-kjedene til insulin syntetisert innen tre måneder; gener ble satt sammen fra henholdsvis 18 og 11 oligonukleotider. Deretter ble genene satt inn, som i produksjonen av somatostatin, i et plasmid ved enden av β-galaktosidasegenet til Escherichia coli.

I E. coli-celler syntetiseres også proinsulin, og ikke bare dets individuelle kjeder. En DNA-kopi ble syntetisert fra det isolerte templat-mRNA. Syntese av proinsulin har visse fordeler, siden prosedyrene for ekstraksjon og rensing av hormonet er minimale.

Forbedring av teknologien for å oppnå genetisk konstruerte produsentstammer ved bruk av ulike teknikker (plasmidamplifikasjon, innkapsling av introdusert rekombinant DNA, undertrykkelse av den proteolytiske aktiviteten til mottakerceller) gjorde det mulig å oppnå høye utbytter av hormonet, opptil 200 mg/l kultur . Medisinske, biologiske og kliniske tester av det genmanipulerte proteinet viste egnetheten til stoffet, og i 1982 ble det godkjent for produksjon i mange land.

Biosyntese av somatotropin. Somatotropin (hypofyseveksthormon) ble først isolert i 1963 fra kadaverisk materiale. Hormonproduksjonen fra en hypofyse var omtrent 4–6 mg når det gjelder det ferdige farmasøytiske preparatet. For behandling av dvergvekst er den nødvendige dosen 6 mg per uke i et år. I tillegg til mangelen på masse, var stoffet oppnådd ved ekstraksjon heterogent antistoffer mot det, som negerte effekten av hormonet. Dessuten var det en fare for at kroppen kunne bli infisert med sakte utviklende virus ved mottak av stoffet. Derfor krevde barn som fikk dette stoffet mange års medisinsk tilsyn.

Det genmanipulerte stoffet har utvilsomme fordeler: det er tilgjengelig i store mengder, homogen, inneholder ikke virus. Syntesen av somatotropin, bestående av 191 aminosyrerester, ble utført i USA av Goeddel og medarbeidere i 1979 (selskapet Genentek).

Kjemisk-enzymatisk DNA-syntese produserer et gen som koder for en somatotropin-forløper, så en spesiell kloningsrute ble valgt. I det første trinnet ble en dobbelttrådet DNA-kopi av mRNA klonet, og ved restriksjonsfordøyelse ble det oppnådd en sekvens som koder for hele aminosyresekvensen til hormonet, bortsett fra de første 23 aminosyrene. Deretter ble et syntetisk polynukleotid tilsvarende disse 23 aminosyrene med ANG-startkodonet i begynnelsen klonet. To fikk-

6. CELLULÆR OG GENETIKK

6.2 Teknologier for genetisk design av organismer nvitro. Kilder til DNA for genkloning. Metoder for å introdusere DNA...

Disse fragmentene ble koblet og justert til et par lac-promotere og et ribosombindingssted. Det konstruerte genet ble transplantert inn i E. coli. Hormonet syntetisert i bakterier hadde den nødvendige molekylvekten og var ikke assosiert med noe protein; dens utbytte var omtrent 100 000 molekyler per celle. Hormonet inneholdt imidlertid en ytterligere metioninrest ved N-terminalen av polypeptidkjeden; når sistnevnte ble fjernet, var hormonutbyttet lavt.

I 1980 ble det innhentet bevis for at genmanipulert somatotropin har den biologiske aktiviteten til det opprinnelige hormonet. Kliniske studier av stoffet var også vellykkede. I 1982 ble hormonet også oppnådd på grunnlag av konstruert Escherichia coli ved Pasteur Institute i Paris. I 1990 hadde kostnadene for hormonet sunket til $5/enhet. For tiden brukes den i husdyrhold for å stimulere vekst av husdyr, melkeproduksjon, etc.

Innhenting av interferoner. Interferoner er en gruppe proteiner som kan produseres i kjernecellene til virveldyr. Dette er kraftige induserbare proteiner som er en faktor for uspesifikk motstand som opprettholder kroppens homeostase. Interferonsystemet har en regulerende funksjon i kroppen, da det er i stand til å modifisere ulike biokjemiske prosesser. Virveldyr interferoner, inkludert

inkludert mennesker, er delt inn i tre grupper: α, β, γ, henholdsvis leukocytt, fibroblast og immun.

På slutten av 70-tallet ble den potensielle betydningen av interferoner for medisin, inkludert forebygging av kreft, åpenbar. Kliniske studier har blitt hemmet av mangelen på tilstrekkelige mengder interferoner og de høye kostnadene for medisiner oppnådd på tradisjonell måte (isolering fra blodet). Så, i 1978, en ode å motta

0.1 g rent interferon i Central Health Laboratory of Helsinki (laboratoriet er verdensledende innen produksjon av interferon fra leukocytter friske mennesker) ble oppnådd ved å behandle 50 000 liter blod. Den resulterende mengden av stoffet kan gi behandling mot virusinfeksjon i 10 000 tilfeller. Utsiktene for å få interferoner var assosiert med genteknologi.

I I 1980 lyktes Gilbert og Weissman i USA å skaffe interferon i genmanipulert E. coli. Den første vanskeligheten de møtte var lave nivåer av mRNA i hvite blodceller, selv de som ble stimulert av virusinfeksjon. Ved å behandle 17 liter blod var det mulig å isolere mRNA og få DNA kopi. Sistnevnte ble satt inn i et plasmid og klonet inn i E. coli. Over 20 000 kloner ble testet. Noen kloner var i stand til å syntetisere interferon, men med lavt utbytte, 1–2 molekyler per celle. Lignende studier ble utført i Japan, England, Frankrike og Russland.

I 1980 nukleotidsekvenser ble etablertα - og β - interferoner: fibroblast interferon mRNA består av 836 nukleotider

6. CELLULÆR OG GENETIKK

6.2 Teknologier for genetisk design av organismer nvitro. Kilder til DNA for genkloning. Metoder for å introdusere DNA...

Dov; av disse er 72 og 203 nukleotider i 5' og 3' utranslaterte regioner, 63 koder for peptidet som er ansvarlig for sekresjonen av interferon fra celler, og 498 nukleotider koder for 166 aminosyrerester av interferon selv. Etter dette ble α- og β-interferon-genene oppnådd ved kjemisk syntese og klonet inn i E. coli. I 1981 ble nukleotidsekvensen til immuninterferon dechiffrert, vesentlig forskjellig fra de to første, men sammenlignbar i størrelsen på molekylet. Et viktig poeng var den fullstendige syntesen av det humane leukocytt-interferon-genet, utført i Storbritannia av ansatte i Imperial Chemical Industry-selskapet og School of Biological Sciences ved University of Leicester. I løpet av et og et halvt år ble den komplette sekvensen til en DNA-kopi av interferon syntetisert, i stand til å kode for α 1-interferon. Syntesen av oligonukleotider ble utført ved en ny metode, som betydelig akselererte gensyntesen. Først ble et nukleotid festet til polyakrylamidharpiksen; Deretter ble tilsetningen av nukleotidpar utført ved bruk av et kondenseringsmiddel i vannfritt pyridin. Hver syklus varte i en og en halv time, så i løpet av et år var det mulig å syntetisere en sekvens på 5000 nukleotider. 67 oligonukleotider ble syntetisert og kombinert ved bruk av ligase til dobbelttrådet DNA bestående av 514 nukleotidpar. Det resulterende genet ble satt inn i cellene til to bakterier: E. coli,

Methylophilus methylotrophus, og ekspresjon ble oppnådd.

Innsats rettet mot å skaffe genmanipulerte interferoner, sammenlignet med cellekulturmetoden, har redusert kostnadene med mer enn 100 ganger. Ulike typer interferoner har blitt oppnådd basert på genetisk konstruerte bakterie- og gjærceller. Dette gjorde det mulig å lansere biomedisinske og kliniske utprøvinger av legemidler. Interferonpreparatene oppnådd i løpet av 1980–1981 var 80 % renset og hadde en spesifikk aktivitet på mer enn 107 internasjonale enheter per 1 mg protein. Utvidelsen av kliniske studier av interferoner som ble startet i løpet av denne perioden avhenger av en økning i rensingsgraden. Fremgang i denne retningen er oppnådd ved bruk av monoklonale antistoffer, som kan brukes til affinitetskromatografi (hvor de ønskede proteinene holdes tilbake på en kolonne med antistoffer).

6.3 Mobilteknologi. Produksjon av biologiske midler ved bruk av celleteknologiske metoder in vivo. Mutagenese.

Metoder for å oppnå og isolere mutanter. Hybridisering av eukaryote celler.

Plasmider og konjugering av bakterier. Fagisk transduksjon. Teknikk for protoplastfusjon. Hybridomer.

Fremstilling og bruk av monoklonale antistoffer

6. CELLULÆR OG GENETIKK

Tradisjonelt, for å oppnå mer aktive biologiske midler,

endret seleksjon og mutagenese. Seleksjon er rettet seleksjon av mutanter

– organismer hvis arvelighet har fått en brå endring som følge av en strukturell modifikasjon i nukleotidsekvensen til DNA. Den generelle seleksjonsveien er veien fra det blinde utvalget av de ønskede produsentene til den bevisste utformingen av deres genom. Tradisjonelle seleksjonsmetoder spilte en gang en viktig rolle i utviklingen av ulike teknologier ved bruk av mikroorganismer. Stammer av øl, vin, bakst, eddiksyre og andre mikroorganismer ble valgt. Begrensningene ved seleksjonsmetoden er assosiert med den lave frekvensen av spontane mutasjoner som fører til endringer i genomet. Et gen må i gjennomsnitt dobles 106–108 ganger for at en mutasjon skal oppstå.

Fører til en betydelig akselerasjon av utvelgelsesprosessen indusert mutagenese(en kraftig økning i frekvensen av mutasjoner av et biologisk objekt på grunn av kunstig skade på genomet). Ultrafiolett og røntgenstråling og en rekke kjemiske forbindelser (salpetersyrling, bromuracil, antibiotika osv.) har en mutagen effekt. Etter å ha behandlet populasjonen med et mutagen, utføres en total screening (verifisering) av de resulterende klonene og de mest produktive velges. De utvalgte klonene reprosesseres og produktive kloner velges igjen, det vil si at trinnvis seleksjon utføres i henhold til egenskapen av interesse.

Dette arbeidet krever mye arbeid og tid. Ulempene med trinnvis seleksjon kan i stor grad overvinnes ved å kombinere det med genetiske utvekslingsmetoder.

Genetisk design in vivo (celleteknikk) inkluderer innhenting og isolering av mutanter og bruk på ulike måter utveksling av arvelig informasjon om levende celler

Grunnlaget for celleteknikk er fusjonen av ikke-reproduktive celler (hybridisering av somatiske celler) for å danne en enkelt helhet. Cellefusjon kan være fullstendig, eller mottakercellen kan erverve individuelle deler av donorcellen (mitokondrier, cytoplasma, kjernegenom, kloroplaster, etc.). Rekombinasjon er forårsaket av ulike prosesser for utveksling av genetisk informasjon fra levende celler (seksuelle og paraseksuelle prosesser i eukaryote celler; konjugering, transformasjon og transduksjon i prokaryoter, samt den universelle metoden - protoplastfusjon).

Under hybridisering tas genetisk merkede stammer av mikroorganismer (vanligvis auxotrofe mutanter eller mutanter som er resistente mot veksthemmere). Som et resultat av cellefusjon (kopulering) dannes hybrider i gjær, sopp og alger. Hvis de opprinnelige cellene var haploide, som et resultat av kjernefysisk fusjon, vises en diploid celle (zygote), som bærer et dobbelt sett med kromosomer i kjernen. Hos noen representanter gjennomgår kjernen umiddelbart meiose, hvor hvert av kromosomene deles. Homologe kromosomer danner par og utveksler deler av deres kromatider som et resultat av kryssing. Deretter dannes haploide seksuelle sporer, som hver inneholder et sett med gener som skilte foreldrecellene som et resultat av genrekombinasjon

6. CELLULÆR OG GENETIKK

6.3 Mobilteknologi. Motta biologiske midler som bruker cellemetoder. in vivo-teknikk. Mutagenese. Mottaksmetoder og isolering av mutanter

samme kromosom, samt ulike kromosomer i fordelingen av kromosompar. Hvis kjernene ikke smelter sammen etter fusjon, dannes det former med blandet cytoplasma og kjerner av ulik opprinnelse (heterokaryoner). Slike former er karakteristiske for sopp, spesielt penicillinprodusenter. Når de resulterende heterozygote diploidene eller heterokaryonene reproduserer, oppstår splitting - manifestasjon i avkommet, som avslører ikke bare de dominerende, men også de recessive egenskapene til foreldrene. Seksuelle og paraseksuelle prosesser er mye brukt i genetisk praksis av industrielt viktige produserende mikroorganismer.

Hos bakterier skjer utveksling av genetisk informasjon som et resultat av interaksjon konjugative plasmider (konjugering). For første gang

asjon ble observert i E. coli K-12. For konjugativ kryssing blandes donor- og mottakerkulturene og inkuberes sammen i næringsbuljong eller på overflaten av agarmedier. Cellene er koblet til hverandre ved hjelp av den resulterende konjugasjonsbroen; gjennom broen overføres et spesifikt sted til plasmidkromosomet til mottakeren. Ved 37 °C tar det altså omtrent 90 minutter å overføre hele kromosomet. Konjugering har åpnet og åpner for brede muligheter for genetisk analyse og stammekonstruksjon.

Transduksjon er prosessen med å overføre genetisk informasjon fra en mottakercelle til en donorcelle ved hjelp av en fag . For første gang denne pro-

prosessen ble beskrevet i 1952 av Zinder og Liederberg. Transduksjon er basert på at under reproduksjon av fager i bakterier kan det dannes partikler som inneholder fag-DNA og fragmenter av bakterielt DNA. For å utføre transduksjon er det nødvendig å multiplisere fagen i cellene til donorstammen og deretter infisere mottakercellene med den. Valget av rekombinante former utføres på selektive medier som ikke støtter veksten av de opprinnelige formene.

I de siste årene har det vært veldig mye bruktprotoplast fusjonsmetode. Denne metoden ser ut til å være en universell måte å introdusere genetisk informasjon i celler av ulik opprinnelse. Metodens enkelhet gjør den tilgjengelig for valg av industrielt viktige produsenter. Metoden åpner for nye muligheter for å oppnå interspesifikke og intergeneriske hybrider og krysse fylogenetisk fjerne former for levende ting. Positive resultater ble oppnådd fra fusjon av bakterie-, gjær- og planteceller. Interspesifikke og intergeneriske gjærhybrider ble oppnådd. Det er bevis på fusjon av celler av ulike typer bakterier og sopp. Det var mulig å oppnå hybridceller som et resultat av sammensmeltingen av celler fra organismer som tilhører forskjellige riker: dyr og planter. Froskekjerneceller ble smeltet sammen med gulrotprotoplaster; en hybrid plante-dyrcelle vokste på plantecellemedier, men mistet raskt kjernen og ble dekket med en cellevegg.

I I de senere årene har det vært vellykket utført arbeid for å skape assosiasjoner av celler til forskjellige organismer, det vil si at det oppnås blandede kulturer av celler av to eller flere organismer for å skape kunstige symbioser. Eksperimenter med innføring av en nitrogenfikserende organisme har blitt gjennomført med suksess

6. CELLULÆR OG GENETIKK

6.3 Mobilteknologi. Motta biologiske midler som bruker cellemetoder. in vivo-teknikk. Mutagenese. Mottaksmetoder og isolering av mutanter

Anabaena variabilis i tobakksplanter. Forsøk på å introdusere A. variabilis direkte i stiklinger av modne tobakksplanter ga ikke positive resultater. Men med felles dyrking av mesofilt tobakksvev og cyanobakterier, var det mulig å få regenererte planter som inneholder cyanobakterier. Assosiasjoner av ginseng og nattskyggeceller med cyanobakterier ble oppnådd.

hennes Chlorogleae fritschii.

Klonal forplantning av dyreceller for genetisk manipulasjon er lovende. Teknikken med cellekulturer av dyreceller for å oppnå biologisk aktive forbindelser har store muligheter, selv om den bare tar sine første skritt. Kulturer av tumorceller eller normale celler transformert in vitro beholder i noen tilfeller evnen til å syntetisere spesifikke produkter. Til tross for de eksisterende vanskelighetene er det vist muligheten for å få tak i en rekke stoffer i dyrecellekultur.

Et viktig område innen celleteknikk er assosiert med de tidlige embryonale stadiene. Dermed lar in vitro-befruktning av egg en overvinne infertilitet. Ved hjelp av hormoninjeksjoner kan dusinvis av egg fås fra ett dyr, kunstig befruktet in vitro og implantert i livmoren til andre dyr. Denne teknologien brukes i dyrehold for å produsere eneggede tvillinger. En ny metode er utviklet basert på evnen til individuelle celler i et tidlig embryo til å utvikle seg til et normalt foster. Embryoets celler deles i flere like deler og transplanteres til mottakere. Dette lar deg reprodusere forskjellige dyr på en akselerert måte. Embryomanipulasjon brukes til å lage embryoer fra forskjellige dyr. Tilnærmingen gjør det mulig å overvinne interartsbarrieren og skape kimære dyr. På denne måten ble det for eksempel oppnådd sau-geit-kimærer.

Den mest lovende retningen for celleteknikk er

Xia hybridomteknologi. Hybridceller (hybridomer) dannes som et resultat av sammensmelting av celler med forskjellige genetiske programmer, for eksempel normale differensierte og transformerte celler. Et strålende eksempel på prestasjonene til denne teknologien er hybridomer oppnådd som et resultat av fusjon av normale lymfocytter og myelomceller. Disse hybridcellene har evnen til å syntetisere spesifikke antistoffer, samt ubegrenset vekst under dyrking.

I motsetning til den tradisjonelle teknikken for å produsere antistoffer, gjorde hybridomteknikken det for første gang mulig å oppnå monoklonale antistoffer (antistoffer produsert av etterkommere av en enkelt celle). Monoklonale antistoffer er svært spesifikke de er rettet mot en enkelt antigen determinant. Det er mulig å oppnå flere monoklonale antistoffer for forskjellige antigene determinanter, inkludert komplekse makromolekyler.

Monoklonale antistoffer har blitt produsert i industriell skala relativt nylig. Som kjent er det normale immunsystemet i stand til å produsere opptil en million forskjellige typer antistoffer som respons på fremmede stoffer (antigener), mens en ondartet celle kun syntetiserer antistoffer av én type. Myelomceller formerer seg raskt. Derfor oppnådde kulturen

6. CELLULÆR OG GENETIKK

6.3 Mobilteknologi. Motta biologiske midler som bruker cellemetoder. in vivo-teknikk. Mutagenese. Mottaksmetoder og isolering av mutanter

fra en enkelt myelomcelle kan opprettholdes i svært lang tid. Det er imidlertid ikke mulig å tvinge myelomceller til å produsere antistoffer mot et spesifikt antigen. Dette problemet ble løst i 1975 av Caesar Milstein. Ansatte ved Medical Research Laboratory of Molecular Biology i Cambridge kom opp med ideen om å slå sammen musemyelomceller med B-lymfocytter fra milten til en mus immunisert med et spesifikt antigen. Hybridcellene dannet som et resultat av fusjon får egenskapene til begge foreldrecellene: udødelighet og evnen til å skille ut en enorm mengde av et hvilket som helst antistoff av en bestemt type. Disse verkene var av stor betydning og åpnet en ny æra innen eksperimentell immunologi.

I 1980, i USA, lyktes Carlo M. Croce og hans kolleger i å skape et stabilt, antigenproduserende, intraspesifikt humant hybridom ved fusjon av B-lymfocytter fra en myelompasient med perifere lymfocytter fra en pasient med subakutt panencefalitt.

Hovedstadiene for å oppnå hybridomteknologi er som følger. Mus immuniseres med antigenet, hvoretter splenocytter isoleres fra milten, som, i nærvær av polyetylenglykol, smeltes sammen med defekte tumorceller (vanligvis defekte i enzymene i nukleotidbiosynteseveien - hypoxanthin eller tiamin). Deretter velges de på et selektivt medium som bare lar hybridceller reprodusere. Næringsmediet med voksende hybridomer testes for tilstedeværelse av antistoffer. Positive kulturer selekteres og klones. Kloner injiseres i dyr for å danne en svulst som produserer antistoffer, eller de dyrkes i kultur. Ascitesvæske fra mus kan inneholde opptil 10–30 mg/ml monoklonale antistoffer.

Hybridomer kan lagres frosset og en dose av en slik klon kan administreres når som helst til et dyr av samme linje som fusjonscellene ble oppnådd fra. For tiden er det opprettet banker av monoklonale antistoffer. Antistoffer brukes til en rekke diagnostiske og terapeutiske formål, inkludert kreftbehandling.

En effektiv måte å bruke monoklonale antistoffer i terapi er å binde dem til cellegift. Antistoffer konjugert med gift sporer og ødelegger tumorceller med en viss spesifisitet i makroorganismen.

Dermed fungerer celleteknikk som en effektiv måte å modifisere biologiske objekter og gjør det mulig å skaffe nye verdifulle produsenter på organet og også på celle- og vevsnivå.

Statens utdanningsinstitusjon for høyere utdanning

yrkesopplæring

VlSU

Institutt for historie og religionsvitenskap

Essay

om temaet:

Gen- og celleteknologi. Bioteknologi.

Fullført av: Shipilova E.V. Gr.ZYu-110

Sjekket av: Førsteamanuensis ved Institutt for historie og

religionsvitenskap Zubkov S.A.

Vladimir 2011

1. Introduksjon 3

2. Muligheter for genteknologi . Bioteknologi 5

3.1. Landbruk 9

3.2 Medisin og legemidler 11

4. Kloning 14

4.1 Status for terapeutisk forskning

kloning i Russland 16

5. Problemer 17

6. Konklusjon 23

Referanser 25

1. Introduksjon

Genteknologi er en retning for forskning innen molekylærbiologi og genetikk, hvis endelige mål er å oppnå, ved hjelp av laboratorieteknikker, organismer med nye, inkludert de som ikke finnes i naturen, kombinasjoner av arvelige egenskaper. Genteknologi er basert på muligheten for målrettet manipulering av nukleinsyrefragmenter på grunn av de siste fremskrittene innen molekylærbiologi og genetikk. Disse prestasjonene inkluderer etableringen av universaliteten til den genetiske koden, det vil si det faktum at i alle levende organismer inkludering av de samme aminosyrene i protein molekyl kodet av de samme nukleotidsekvensene i DNA-kjeden; suksessene til genetisk enzymologi, som ga forskeren et sett med enzymer som gjør det mulig å oppnå individuelle gener eller nukleinsyrefragmenter i isolert form, utføre in vitro syntese av nukleinsyrefragmenter og kombinere de resulterende fragmentene til en enkelt helhet . Å endre de arvelige egenskapene til en organisme ved hjelp av genteknologi kommer altså ned til å konstruere nytt genetisk materiale fra forskjellige fragmenter, introdusere dette materialet i mottakerorganismen, skape betingelser for dens funksjon og stabile arv.

Genteknologi oppsto i begynnelsen. 70 tallet Det 20. århundre Genteknologi er basert på å trekke ut et gen (som koder for ønsket produkt) eller en gruppe gener fra cellene til en organisme og kombinere dem med spesielle DNA-molekyler (såkalte vektorer) som kan trenge inn i cellene til en annen organisme (hovedsakelig mikroorganismer) og formere seg i dem , dvs. dannelse av rekombinante DNA-molekyler.

Rekombinant (fremmed) DNA introduserer nye genetiske og fysisk-biokjemiske egenskaper i mottakerorganismen. Disse egenskapene inkluderer syntese av aminosyrer og proteiner, hormoner, enzymer, vitaminer, etc.

Bruken av genteknologiske metoder åpner for muligheten til å endre en rekke egenskaper ved organismen: øke produktiviteten, motstandsdyktigheten mot sykdommer, øke veksthastigheten, forbedre produktkvaliteten osv. Dyr som bærer et rekombinant (fremmed) gen i genomet er vanligvis kalt transgen, og et gen integrert i genommottakeren - transgenom. Takket være genoverføring oppstår nye kvaliteter hos transgene dyr, og videre seleksjon gjør det mulig å konsolidere dem i avkommet og lage transgene linjer.

Genteknologiske metoder gjør det mulig å lage nye plantegenotyper raskere enn klassiske seleksjonsmetoder, og det blir mulig å målbevisst endre genotypen – transformasjonen.

Genetisk transformasjon består hovedsakelig av overføring av fremmede eller modifiserte gener til eukaryote celler. I planteceller er det mulig å uttrykke gener overført ikke bare fra andre planter, men også fra mikroorganismer og til og med dyr.

Å skaffe planter med nye egenskaper fra transformerte celler (regenerering) er mulig på grunn av deres topitotency-egenskap, dvs. evnen til individuelle celler i prosessen med å realisere genetisk informasjon til å utvikle seg til en hel organisme.

2. Muligheter for genteknologi. Bioteknologi.

For tiden har den farmasøytiske industrien fått en ledende posisjon i verden, noe som gjenspeiles ikke bare i volumet av industriell produksjon, men også i økonomiske midler investert i denne industrien (ifølge økonomer gikk den inn i den ledende gruppen når det gjelder volumet av kjøp og salg av aksjer i verdipapirmarkedene). En viktig nyhet var at farmasøytiske selskaper inkluderte i sin sfære utvikling av nye varianter av landbruksplanter og dyr, og bruker titalls millioner dollar i året på dette, de mobiliserte også produksjon av kjemikalier til daglig bruk. Tilsetningsstoffer til byggebransjens produkter og så videre. Ikke titusenvis, men kanskje flere hundre tusen høyt kvalifiserte spesialister er ansatt i forsknings- og industrisektorene i farmasøytisk industri, og det er på disse områdene interessen for genom- og genteknologisk forskning er ekstremt stor.

Det er klart at enhver fremgang innen plantebioteknologi vil avhenge av utviklingen av genetiske systemer og verktøy som vil tillate mer effektiv håndtering av transgener. Situasjonen er lik den som er observert i dataindustrien, hvor vi i tillegg til å øke mengden informasjon som behandles og forbedre selve datamaskinene, også trenger OS informasjonshåndtering, for eksempel Microsoft "windows".

For å renskære transgent DNA inn i plantegenomet, blir homologe rekombinasjonssystemer lånt fra mikrobiell genetikk, slik som Cre-lox og Flp-frt-systemene, i økende grad brukt. Fremtiden vil åpenbart være kontrollert genoverføring fra variasjon til variasjon, basert på bruk av prepreparert plantemateriale, som allerede inneholder områder med homologi i de ønskede kromosomene som er nødvendige for homolog innsetting av transgenet. I tillegg til integrerende ekspresjonssystemer, vil autonomt replikerende vektorer bli testet. Av spesiell interesse er kunstige plantekromosomer, som teoretisk sett ikke legger noen begrensninger på mengden av teoretisk informasjon som introduseres.

Forskere leter etter gener som koder for nye nyttige egenskaper. Situasjonen på dette feltet endrer seg radikalt, først og fremst på grunn av eksistensen av offentlige databaser som inneholder informasjon om de fleste gener, bakterier, gjær, mennesker og planter, og også på grunn av utviklingen av metoder som tillater samtidig analyse av uttrykket av store antall gener med svært høy gjennomstrømning. Metodene som brukes i praksis kan deles inn i to kategorier:

1. Metoder som tillater uttrykksprofilering: subtraksjonshybridisering, elektronisk sammenligning av EST-biblioteker, "genchips" og så videre. De gjør det mulig å etablere en sammenheng mellom en eller annen fenotypisk egenskap og aktiviteten til spesifikke gener. 2. Posisjonell kloning består i å skape, gjennom insersjonsmutagenese, mutanter med forstyrrelser i en egenskap eller egenskap av interesse for oss, etterfulgt av kloning av det tilsvarende genet som sådan, som åpenbart inneholder en kjent sekvens (innsetting). Metodene ovenfor forutsetter ingen innledende informasjon om genene som kontrollerer en bestemt egenskap. Fraværet av en rasjonell komponent i dette tilfellet er en positiv omstendighet, siden den ikke er begrenset av våre nåværende ideer om natur og genetisk kontroll av den spesifikke egenskapen som interesserer oss.

Det er gjort betydelige fremskritt i det praktiske feltet for å lage nye produkter for medisinsk industri og behandling av menneskelige sykdommer

Bruk av genmanipulerte produkter i medisin.

	Naturprodukter og anvendelsesområdet for genteknologiske produkter
Antikoagulanter	Vevsplasminogenaktivator (TPA) aktiverer plasmin. Et enzym involvert i resorpsjon av blodpropp; effektiv i behandlingen av pasienter med hjerteinfarkt.
Blodfaktorer	Faktor VIII akselererer dannelsen av blodpropper; mangel på hemofili. Bruk av genetisk konstruert faktor VIII eliminerer risikoen forbundet med blodtransfusjoner.
Faktorer som stimulerer kolonidannelse	Vekstfaktorer i immunsystemet som stimulerer dannelsen av hvite blodlegemer. Brukes til å behandle immunsvikt og bekjempe infeksjoner.
erytropoietin	Stimulerer dannelsen av røde blodlegemer. Brukes til å behandle anemi hos pasienter med nyresvikt.
Vekstfaktorer	Stimulere differensiering og vekst forskjellige typer celler. Brukes til å fremskynde tilheling av sår.
Menneskelig veksthormon	Brukes i behandling av dvergvekst.
Humant insulin	Brukes til å behandle diabetes
Interferon	Forhindrer spredning av virus. Brukes også til å behandle noen former for kreft.
Leixins	Aktivere og stimulere arbeidet til ulike typer leukocytter. Kan brukes til sårheling, HIV-infeksjon, kreft,
Monoklonal- nye antistoffer	Den høyeste spesifisiteten assosiert med antistoffer brukes til diagnostiske formål. De brukes også til målrettet levering av medikamenter, toksiner, radioaktive og isotopforbindelser til kreftsvulster i kreftterapi, det er mange andre bruksområder.
Superoksiddismutase	Forhindrer vevsskade av reaktive hydroksyderivater under tilstander med kortvarig oksygenmangel, spesielt under kirurgiske operasjoner når det er nødvendig å plutselig gjenopprette blodstrømmen.
	Kunstig produserte vaksiner (hepatitt B-vaksinen var den første) er på mange måter bedre enn konvensjonelle vaksiner.

Rekombinant DNA-teknologi er basert på produksjon av svært spesifikke DNA-prober, som brukes til å studere ekspresjon av gener i vev, lokalisering av gener på kromosomer, og identifisere gener med relaterte funksjoner (for eksempel hos mennesker og kylling). DNA-sonder brukes også i diagnostisering av ulike sykdommer.

Rekombinant DNA-teknologi har muliggjort en ukonvensjonell protein-gen-tilnærming kalt omvendt genetikk. I denne tilnærmingen blir et protein isolert fra en celle, genet for dette proteinet klones, og det modifiseres, og skaper et mutantgen som koder for en endret form av proteinet. Det resulterende genet introduseres i cellen. Hvis det uttrykkes, vil cellen som bærer det og dens etterkommere syntetisere det endrede proteinet. På denne måten kan defekte gener korrigeres og arvelige sykdommer behandles.

Hvis hybrid-DNAet introduseres i et befruktet egg, kan det produseres transgene organismer som uttrykker mutantgenet og sender det videre til deres avkom. Genetisk transformasjon av dyr gjør det mulig å fastslå rollen til individuelle gener og deres proteinprodukter både i reguleringen av aktiviteten til andre gener og i ulike patologiske prosesser. Ved hjelp av genteknologi er det skapt linjer med dyr som er resistente mot virussykdommer, så vel som dyreraser med egenskaper som er gunstige for mennesker. For eksempel gjorde mikroinjeksjon av rekombinant DNA inneholdende det bovine somatotropingenet i en kaninzygote det mulig å oppnå et transgent dyr med hyperproduksjon av dette hormonet. De resulterende dyrene hadde uttalt akromegali.

3. Retningslinjer for genteknologi.

3. 1 Landbruk.

Genteknologi direkte i landbruket fant sted allerede på slutten av 1980-tallet, da det var mulig å lykkes med å introdusere nye gener i dusinvis av plante- og dyrearter – for å lage tobakksplanter med lysende blader, tomater som lett tåler frost, og mais som er motstandsdyktig mot plantevernmidler.

En av de viktige oppgavene til genteknologi er å skaffe planter som er motstandsdyktige mot virus, siden det for tiden ikke er andre måter å bekjempe virusinfeksjoner i avlinger på. Innføringen av viruskappeproteingener i planteceller gjør planter resistente mot dette viruset. For tiden er det oppnådd transgene planter som kan motstå effekten av mer enn et dusin forskjellige virusinfeksjoner.

En annen viktig oppgave med genteknologi er knyttet til å beskytte planter mot skadeinsekter. Bruken av insektmidler er ikke alltid effektiv på grunn av deres toksisitet og muligheten for at insektmidler vaskes av fra planter med regnvann. I genteknologilaboratorier i Belgia og USA er det med suksess utført arbeid med å introdusere gener fra jordbakterien Bacillus thuringiensis i planteceller, som gjør det mulig å syntetisere insektmidler av bakteriell opprinnelse. Disse genene ble introdusert i cellene til poteter, tomater og bomull, som et resultat av at transgene potet- og tomatplanter ble resistente mot Colorado-potetbillen, og bomullsplanter viste seg å være motstandsdyktige mot forskjellige insekter, inkludert bomullsbollorm. Bruken av genteknologi i landbruket har redusert bruken av insektmidler med 40 - 60 %. Geningeniører har avlet frem transgene planter med en lengre periode med fruktmodning. Dette gjør det mulig å plukke slike tomater fra busken rød med tillit til at de ikke vil overmodne under transport.

Listen over planter som genteknologiske metoder har blitt brukt på, vokser. Det inkluderer epletrær, druer, plommer, kål, auberginer, agurker, hvete, ris, soyabønner, rug og mange andre avlinger.

Et av hovedområdene der genteknologier blir brukt er landbruk. En klassisk metode for å forbedre kvaliteten på landbruksprodukter er seleksjon - en prosess der, gjennom kunstig seleksjon, individuelle planter eller dyr med visse egenskaper isoleres og krysses for arvelig overføring av disse egenskapene og deres forbedring. Denne prosessen er ganske lang og ikke alltid virkelig effektiv. Genteknologi har evnen til å gi en levende organisme egenskaper som er ukarakteristiske for den, for å forbedre manifestasjonen av noen eksisterende egenskaper eller å ekskludere dem. Dette skjer gjennom innføring av nye eller utelukkelse av gamle gener fra kroppens DNA.

For eksempel ble en spesiell variant av poteter som er motstandsdyktig mot Colorado-potetbillen utviklet på denne måten. For å gjøre dette ble genet til jorda Thuringian bacillus Bacillus thuringiensis introdusert i potetgenomet, som produserer et spesielt protein som er skadelig for Colorado-potetbillen, men ufarlig for mennesker. Bruken av genteknologi for å endre plantenes egenskaper, som regel, gjøres nettopp for å øke deres motstand mot skadedyr, ugunstige miljøforhold og forbedre deres smak og vekstkvaliteter. Intervensjon i genomet til dyr brukes til å akselerere deres vekst og øke produktiviteten. På denne måten økes også mengden essensielle aminosyrer og vitaminer i landbruksprodukter kunstig, samt deres ernæringsmessige verdi.

Antall argumenter for bruk av GMF oppveier betydelig de mulige argumentene mot. Tilhengere av GMF viser derfor spesielt til det høye nivået av kvalitetskontroll av alle genmodifiserte produkter (GMP). I løpet av den tjue år lange historien med bruken av disse produktene i forskjellige land i verden, har det ikke blitt avslørt et eneste faktum om deres negative innvirkning på menneskers helse, noe som ikke kan sies om produktene fra tradisjonelt landbruk, der bruken av ulike typer gjødsel er uunngåelig, mange av dem er anerkjent som skadelige for mennesker. Dessuten sikter seleksjon, som har vært brukt i jordbruket i århundrer, i hovedsak mot den samme genetiske modifikasjonen av organismer, bare det gjør dette over mye lengre tid. Genteknologi er ganske enkelt i stand til å introdusere de nødvendige endringene i kroppen på kort tid, og derfor er bruken av GMF ikke farligere enn bruken av andre produkter avlet ved klassisk seleksjon.

Motstandere av bruken av genteknologi i landbruket appellerer til mangelen på forskning på sikkerheten til GMO (dette spørsmålet fortsetter imidlertid å bli stadig studert), samt det faktum at GMO noen ganger forårsaker utryddelse av visse arter. Vilde genmodifiserte organismer kan for eksempel fortrenge populasjoner av ville arter på grunn av større tilpasningsevne til ugunstige forhold miljø.

3.2. Legemidler og medisin.

Produksjon og bruk av vaksiner mot virussykdommer tillot leger å fullstendig eliminere epidemier av pest og kopper, som millioner av mennesker tidligere døde av. Den genteknologiske metoden, i motsetning til andre metoder, gjør det mulig å få en absolutt ufarlig (ikke inneholdende et smittestoff) vaksine. Det arbeides også med å produsere vaksiner mot influensa, hepatitt og andre virussykdommer hos mennesker.

Tjenestene til genteknologi er spesielt vellykket brukt av farmasøyter, for hvem denne metoden produserer relativt billige, men livsviktige hormoner, som insulin, interferon, veksthormoner og andre av proteinnatur. På forespørsel fra farmasøyter har geningeniører etablert produksjonen av det humane hormonet insulin (i stedet for det tidligere brukte animalske insulinet), som spiller en viktig rolle i kampen mot diabetes. Metoden for genteknologi produserer også ganske billig og rent humant interferon, et protein med en universell antiviral effekt, et antigen av hepatitt B-viruset.

For tiden har Escherichia coli (E. coli) blitt leverandør av så viktige hormoner som insulin og somatotropin. Tidligere ble insulin hentet fra animalske bukspyttkjertelceller, så kostnadene var svært høye. For å oppnå 100 g krystallinsk insulin kreves det 800-1000 kg bukspyttkjertel, og en kjertel til en ku veier 200 - 250 gram. Dette gjorde insulin dyrt og vanskelig tilgjengelig for et bredt spekter av diabetikere. I 1978 produserte forskere fra Genentech først insulin i en spesialkonstruert stamme av Escherichia coli. Insulin består av to polypeptidkjeder A og B, 20 og 30 aminosyrer lange. Når de er forbundet med disulfidbindinger, dannes naturlig dobbeltkjedet insulin. Det har vist seg at det ikke inneholder E. coli-proteiner, endotoksiner og andre urenheter, gir ikke bivirkninger som animalsk insulin, og er ikke forskjellig fra det i biologisk aktivitet. Deretter ble proinsulin syntetisert i E. coli-celler, for hvilke en DNA-kopi ble syntetisert på en RNA-mal ved bruk av revers transkriptase. Etter å ha renset det resulterende proinsulinet ble det delt opp i naturlig insulin, mens stadiene med ekstraksjon og isolering av hormonet ble minimert. Fra 1000 liter kulturvæske kan man få opptil 200 gram av hormonet, som tilsvarer mengden insulin som skilles ut fra 1600 kg av bukspyttkjertelen til en gris eller ku.

Somatotropin er et menneskelig veksthormon som skilles ut av hypofysen. En mangel på dette hormonet fører til hypofyse-dvergvekst. Hvis somatotropin administreres i doser på 10 mg per kg kroppsvekt tre ganger i uken, kan et barn som lider av dets mangel vokse 6 cm. Tidligere ble det hentet fra kadaverisk materiale, fra ett lik: 4 - 6 mg somatotropin når det gjelder ferdig farmasøytisk produkt. Dermed var de tilgjengelige mengdene av hormonet begrenset, i tillegg var hormonet oppnådd ved denne metoden heterogent og kunne inneholde saktevoksende virus. I 1980 utviklet Genentec-selskapet en teknologi for produksjon av somatotropin ved bruk av bakterier, som var blottet for disse ulempene. I 1982 ble humant veksthormon oppnådd i kultur av E. coli og dyreceller ved Pasteur Institute i Frankrike, og i 1984 startet industriell produksjon av insulin i USSR. I produksjonen av interferon brukes både E. coli, S. cerevisae (gjær), og en kultur av fibroblaster eller transformerte leukocytter. Trygge og billige vaksiner oppnås også ved bruk av lignende metoder.

Praktisk bruk. Nå er de i stand til å syntetisere gener, og ved hjelp av slike syntetiserte gener introdusert i bakterier får man en rekke stoffer, spesielt hormoner og interferon. Produksjonen deres utgjorde en viktig gren av bioteknologi. Interferon, et protein syntetisert av kroppen som svar på en virusinfeksjon, studeres nå som en mulig behandling for kreft og AIDS. Det ville ta tusenvis av liter menneskeblod for å produsere mengden interferon som bare én liter bakteriekultur gir. Det er klart at fordelene ved masseproduksjon av dette stoffet er svært store. Insulin, oppnådd på grunnlag av mikrobiologisk syntese, som er nødvendig for behandling av diabetes, spiller også en svært viktig rolle. Genteknologi har også blitt brukt til å lage en rekke vaksiner som nå testes for å teste deres effektivitet mot humant immunsviktvirus (HIV), som forårsaker AIDS. Ved hjelp av rekombinant DNA oppnås også humant veksthormon i tilstrekkelige mengder, det eneste middelet for å behandle en sjelden barnesykdom - hypofyse-dvergvekst. En annen lovende retning innen medisin knyttet til rekombinant DNA er den såkalte. genterapi. I disse arbeidene, som ennå ikke har forlatt det eksperimentelle stadiet, blir en genmanipulert kopi av et gen som koder for et kraftig antitumorenzym introdusert i kroppen for å bekjempe en svulst. Genterapi har også begynt å bli brukt for å bekjempe arvelige forstyrrelser i immunsystemet. I landbruket har dusinvis av mat- og fôrvekster blitt genmodifisert. I dyrehold har bruk av bioteknologisk produsert veksthormon økt melkeproduksjonen; En vaksine mot herpes hos griser ble laget ved hjelp av et genmodifisert virus.

4. Kloning.

Grunnlaget for fremveksten av et av de mest lovende biomedisinske områdene innen celleerstatningsterapi - terapeutisk kloning - var to viktigste funnene slutten av det 20. århundre. Dette er for det første etableringen av en klonet sau Dolly, og for det andre produksjonen av embryonale stamceller (ESCs) ).

Kloning er reproduksjon av et levende vesen ved dets ikke-reproduktive (somatiske) celler. Kloning av organer og andre organer er den viktigste oppgaven innen transplantologi, traumatologi og andre områder innen medisin og biologi. Ved transplantasjon av klonede organer er det ingen avvisningsreaksjoner og det er ingen mulige negative konsekvenser (for eksempel kreft som utvikler seg mot bakgrunnen av immunsvikt). Klonede organer er en redning for mennesker som har vært i bilulykker eller andre katastrofer, så vel som de som trenger radikal hjelp på grunn av sykdommer. Kloning kan gjøre det mulig for barnløse å få sine egne barn, hjelpe mennesker som lider av alvorlig genetiske sykdommer. Så hvis genene som bestemmer en arvelig sykdom er inneholdt i kromosomer, blir kjernen til hennes egen somatiske celle transplantert inn i morens egg, så vil et barn dukke opp, blottet for farlige gener, en kopi av moren. Hvis disse genene finnes i mors kromosomer, vil kjernen til fars somatiske celle overføres til egget hennes og en sunt barn, kopi av far. Menneskehetens videre fremgang er i stor grad knyttet til utviklingen av bioteknologi. Samtidig er det nødvendig å ta hensyn til at ukontrollert spredning av genmanipulerte levende organismer og produkter kan forstyrre den biologiske balansen i naturen og utgjøre en trussel mot menneskers helse.

Kloning av en hel organisme kalles reproduktiv kloning. Forskning i denne retningen pågår fortsatt, men det har vært en viss fremgang.

Saken om kloning av sauen Dolly i Storbritannia er viden kjent. Dette pattedyrkloningseksperimentet ble utført av en gruppe forskere ledet av Jan Wilmut. Deretter ble kjerner tatt fra juret til et donordyr overført til 277 egg. Av disse ble det dannet 29 embryoer, hvorav ett overlevde. Dolly ble født 5. juli 1996 og ble det første pattedyret som ble vellykket klonet. Det klonede dyret levde i 6,5 år og døde 14. februar 2003 av en progressiv lungesykdom forårsaket av et retrovirus. Det er rapportert å være en vanlig sykdom hos sau som holdes innendørs, og Dolly ble sjelden tatt ut på beite av sikkerhetsmessige årsaker.

Det er noen misoppfatninger om kloning. Dermed er kloning av en person eller et dyr definitivt ikke i stand til å gjenskape bevissthet. Den klonede personen vil ikke være utstyrt med intelligensen til den opprinnelige organismen, han vil trenge oppdragelse, utdanning osv. Dessuten er spørsmålet om den fullstendige eksterne identiteten til klonen også kontroversielt. Som regel er en klon ikke en fullstendig kopi av originalen, fordi Ved kloning kopieres kun genotypen, noe som ikke betyr en entydig repetisjon av organismens fenotype. Fenotypen er dannet på grunnlag av visse genetiske data, men forholdene som klonen skal dyrkes under kan på en eller annen måte påvirke utviklingen: høyde, vekt, kroppsbygning og noen trekk ved mental utvikling.

I de fleste land i verden er alt arbeid med reproduktiv kloning forbudt. Slik menneskelig kloning står overfor enda større etiske, religiøse og juridiske problemer enn terapeutisk kloning. I prinsippet er det ingen sikker offentlig mening om dette, på samme måte som verdens største religioner ikke er i stand til å gi en entydig vurdering av dette fenomenet, fordi det går utover omfanget av deres klassiske lære og derfor krever argumentasjon. Noen juridiske vanskeligheter oppstår også, for eksempel spørsmål om farskap, barsel, arv, ekteskap og noen andre. Utviklingen av kloning er også usikker av hensyn til kontroll over den, samt mulig lekkasje av teknologi til kriminelle og terroristmiljøer. Spesielt bekymringsfullt er den høye prosentandelen av feil i kloning, som utgjør en fare for fremveksten av deformerte mennesker.

4.1 Status for forskning på terapeutisk kloning i Russland.

Til tross for boomen om det store potensialet til ESC-er i behandlingen av ulike sykdommer, blir arbeidet med terapeutisk kloning fortsatt praktisk talt ikke utført i Russland. Dette skyldes først og fremst mangelen på et lovverk for å drive forskning ved bruk av menneskelige oocytter og embryoer. Med vedtakelsen av slike lover er det en reell mulighet for Russland til å utvikle terapeutisk kloning veldig raskt. Landet vårt har effektive cellulære teknologier for å skaffe rekonstruerte embryoer ved bruk av kjernefysisk transplantasjon. I hovedsak ble grunnlaget for moderne teknologier for kjernefysisk overføring av somatiske celler, som kombinerer mikrokirurgi og elektrofusjon, først utviklet her på 80-tallet av forrige århundre. Det finnes også effektive teknologier for å oppnå menneskelige ESC-linjer.

Det er mulig å implementere oppgavene med terapeutisk kloning på grunnlag av reproduksjonssentre, som i tillegg til deres direkte formål kan bli sentre for å skaffe ESC-linjer, først og fremst direkte for kvinnelige pasienter i dette senteret og alle medlemmer av deres familier. Det kan forventes at med utviklingen av terapeutiske teknologier vil det å skaffe egne ESC-er bli tilgjengelig for hver person. Det er nødvendig å gjennomføre et tett samarbeid mellom reproduksjonssentre og relevante forskningslaboratorier med fokus på å løse grunnleggende problemer og utvikle ny teknologi. Lignende teknologier inkluderer rekonstruksjon av embryoer ved bruk av ikke-invasive optiske for terapeutisk kloning

5. Problemer med genteknologi.

Genteknologi er en helt ny teknologi som bryter ned grunnleggende genetiske barrierer ikke bare mellom arter, men også mellom mennesker, dyr og planter. Ved å kombinere gener fra forskjellige og ubeslektede arter, for alltid å endre deres genetiske koder, skapes nye organismer som vil overføre genetiske endringer til deres etterkommere. I dag er forskere i stand til å klippe, lime, rekombinere, transformere, redigere og programmere genetisk materiale. Dyre- og til og med menneskelige gener legges til planter eller dyr, noe som gir opphav til ufattelige transgene livsformer. For første gang i historien ble mennesker livets arkitekter. Bioingeniører vil være i stand til å skape titusenvis av nye organismer i løpet av de neste årene. Utsiktene er skremmende. Genteknologi reiser enestående etiske og sosiale problemer, og truer også miljøets velvære, menneskers og dyrs helse og fremtidens landbruk. Følgende beskriver bare noen av problemene knyttet til genteknologi:

Genmodifiserte organismer som rømmer eller slippes ut fra et laboratorium kan forårsake miljøødeleggelse. Genmanipulerte "biologiske forurensninger" har potensial til å være mer ødeleggende enn til og med kjemiske forurensninger. Fordi de lever, er genmodifiserte matvarer iboende mer uforutsigbare enn kjemiske - de kan reprodusere, migrere og mutere. Når disse genmodifiserte organismene først slippes ut i miljøet, vil det være nesten umulig å returnere dem tilbake til laboratoriet. Mange forskere advarer om at frigjøring av slike organismer eksternt miljø kan føre til irreversible destruktive konsekvenser for miljøet.

Genetiske endringer vil sannsynligvis føre til uventede resultater og farlige overraskelser. Bioteknologi er en upresis vitenskap, og forskere kan aldri garantere 100 prosent suksess. Alvorlige tilfeller har oppstått i praksis. Forskere som utførte eksperimenter ved Michigan State University fant nylig at genetisk endring av planter som er resistente mot virus kan føre til at virus muterer til nye, farligere former eller former som kan angripe andre plantearter. Andre skumle scenarier: Fremmede gener fra genmodifiserte planter kan overføres sammen med pollen, insekter, vind eller regn til andre avlinger, så vel som ville og ugressaktige planter. Katastrofe kan skje hvis egenskaper til genmodifiserte avlinger, som resistens mot virus eller insekter, erverves av for eksempel ugress. Genmodifiserte planter kan produsere giftstoffer og andre stoffer som kan skade fugler og andre dyr. Genteknologi av planter og dyr vil nesten helt sikkert sette arter i fare og redusere biologisk mangfold. På grunn av deres "overlegne" gener, vil noen av GI-ene til planter og dyr uunngåelig gå ut av kontroll og erobre ville arter. Dette har allerede skjedd da eksotiske arter ble importert til landet, for eksempel i Nord-Amerika var det problemer med nederlandsk almesyke og klatrende pueraria. Hva vil for eksempel skje med ville arter når forskere slipper ut karpe, laks eller ørret i miljøet som er dobbelt så store og spiser dobbelt så mye mat som deres ville slektninger? En annen fare ligger i etableringen av nye typer avlinger og husdyr. Når forskerne har skapt det som kalles den "perfekte tomaten" eller "perfekt kylling", vil de bli reprodusert i store mengder; "mindre ettertraktede" arter vil bli liggende i veikanten. "Perfekte" dyr og planter ville deretter bli klonet (reprodusert som eksakte genetiske kopier), noe som ytterligere reduserer basen av tilgjengelige gener på planeten.

Genetiske endringer i avlinger og dyr kan utløse utvikling av giftige og allergiske reaksjoner hos mennesker. En person med allergi mot nøtter eller skalldyr, for eksempel, vil ikke ha noen mulighet til å vite om en tomat eller annen mat er endret til å inkludere proteiner fra den allergifremkallende maten, og inntak av disse GI-matene kan få fatale konsekvenser. Alternativt kan geningeniører ta protein fra bakterier som finnes i jorda, havet – hvor som helst – og legge det til menneskemat. Slike stoffer har aldri blitt tilsatt mat før, så det er ingen informasjon om deres toksisitet og allergifremkallende egenskaper.

Det er kjente tilfeller der genmodifisert mat har forårsaket skade på mennesker. I 1989 og 1990 drepte genetisk konstruert L-tryptofan, et vanlig mattilsetningsstoff, mer enn 30 amerikanere og deaktiverte mer enn 5000 permanent med den potensielt dødelige og smertefulle blodlidelsen eosinofili-myalgisyndrom før den ble forbudt. Produsenten, Showa Denko K.K., Japans tredje største kjemiske selskap, brukte en genmodifisert bakterie for å lage dette reseptfrie kosttilskuddet. Det antas at bakterien på en eller annen måte ble infisert gjennom prosessen med DNA-rekombinasjon. Produktene indikerer ikke at de er genmodifisert. Patentering av GI-produkter og utbredt produksjon av bioteknologiske produkter vil ødelegge oppdrett som det har vært kjent siden antikken. Hvis ikke denne trenden stoppes, vil kjøtt- og meieriindustriens patentering av transgene planter og dyr snart føre til utvikling av leieoppdrett, der bønder vil leie planter og dyr fra bioteknologiske konglomerater og betale for frøene og avkommet. Til syvende og sist, i løpet av de neste tiårene, vil landbruket bli utslettet og overtatt av industrielle biosyntesefabrikker kontrollert av kjemiske og bioteknologiske selskaper. Aldri igjen vil folk nyte naturlig, fersk mat. Hundrevis av millioner bønder og andre arbeidere rundt om i verden vil miste inntektene sine. Det bærekraftige landbrukssystemet vil bli ødelagt.

Genmodifisering og patentering av dyr vil redusere statusen til levende vesener til industriprodukter og føre til større lidelse. I januar 1994 ble det kjent at det fullstendige genomkartet over kyr og griser var belyst, noe som gikk forut for videre utvikling av dyreforsøk. I tillegg til den iboende grusomheten til slike eksperimenter (defekte prøver ble født med smertefulle defekter, lamme, blinde, etc.), hadde disse "produksjons"-skapningene ingen større verdi for deres "skapere" enn mekaniske oppfinnelser. Dyr som var genetisk konstruert for bruk i laboratorier, som den beryktede "Harvard-musen", som hadde et menneskelig kreftfremkallende gen som ble gitt videre til alle påfølgende generasjoner, ble designet for å lide. En ren reduksjonistisk vitenskap, bioteknologi reduserer betydningen av livet til deler av informasjon (genetisk kode) som kan demonteres og settes sammen igjen som man vil. Fratatt deres unike og intimitet, vil dyr som bare er gjenstander for deres "oppfinnere" bli behandlet som sådan. Patenter for mer enn 200 genetisk endrede "bisarre" dyr venter for tiden på godkjenning.

Genetisk konstruerte organismer har aldri blitt tilstrekkelig eller ordentlig testet for sikkerhet. Til dags dato er det ingen passende statlig organisasjon opprettet for å håndtere denne radikale nye klassen av skapninger, som potensielt utgjør enorme trusler mot helse og miljø. US Food and Drug Administrations policy for genmodifiserte matvarer illustrerer problemet. I mai 1992 utviklet dette landet en ny policy angående bioteknologiske produkter: genmodifiserte produkter vil ikke bli vurdert separat fra naturlige; de vil ikke bli testet for sikkerhet; de vil ikke inneholde en etikett som indikerer at de er genmodifisert; Den amerikanske regjeringen vil ikke spore GI-mat. Som et resultat vil verken myndighetene eller forbrukerne vite hvilke hele eller bearbeidede matvarer som er genmodifisert. Vegetarianere og mennesker som ekskluderer visse matvarer fra diettene sine på grunn av religiøs overbevisning står overfor utsiktene til uforvarende å konsumere grønnsaker og frukt som inneholder genetisk materiale fra dyr og til og med mennesker. Og helsekonsekvensene vil kun avgjøres gjennom prøving og feiling – av forbrukerne.

Ved å patentere genene og levende organismer de oppdager, vil en liten bedriftselite snart kontrollere hele planetens genetiske arv. Forskere som «oppdager» gener og måter å manipulere dem på, kan motta patenter – og dermed eierskap – ikke bare til genmodifikasjonsteknologiene, men også til genene i seg selv. Kjemiske, farmasøytiske og bioteknologiske selskaper som DuPont, Upjohn, Bayer, Dow, Monsanto, Cib-Geigy og Rhone-Poulenc prøver raskt å identifisere og patentere gener fra planter og dyr og mennesker for å gjøre en fullstendig overtakelse av landbruket, husdyr og produksjonsindustri matvarer. Dette er de samme selskapene som en gang lovet et bekymringsløst liv med sprøytemidler og plast. Kan man stole på deres planer for fremtiden?

Å studere det menneskelige genomet kan føre til deklassifisering av personlig informasjon og nye nivåer av diskriminering. Noen mennesker blir allerede nektet helseforsikring basert på "dårlige" gener. Vil arbeidsgivere kreve genskanning, og vil de nekte sine ansatte jobber basert på resultatene? Vil myndighetene få tilgang til våre personlige genetiske profiler? Det er lett å forestille seg nytt nivå diskriminering av de hvis genetiske profiler indikerer at de for eksempel er mindre intelligente eller disponerte for visse sykdommer.

Genteknologi har allerede blitt brukt for å "forbedre" menneskeheten, en praksis som kalles eugenikk. Genskanning lar oss allerede finne ut om fosteret bærer genene for visse arvelige sykdommer. Vil vi snart begynne å kvitte oss med fostre på grunnlag av ikke-livstruende defekter som nærsynthet, homoseksualitet eller rent kosmetiske årsaker? Forskere ved University of Pennsylvania har søkt om patent på GI dyrespermceller slik at egenskapene som overføres fra en generasjon til den neste kan endres; dette tyder på at det samme er mulig med mennesker. Overgangen fra dyreeugenikk til menneskelig eugenikk er bare ett lite skritt. Alle vil det beste for barna sine, men hvor stopper vi? Utilsiktet kan vi snart gjenta nazistenes anstrengelser for å skape en "perfekt" rase.

Det amerikanske militæret lager et arsenal av genmodifiserte biologiske våpen. Selv om opprettelsen av offensive biologiske våpen har blitt gjort ulovlig under internasjonale traktater,USA fortsetter å utvikle slike våpen for forsvarsformål. Imidlertid er genmodifiserte biologiske midler identiske enten de brukes til forsvar eller angrep. Forskningsområder for slike våpen inkluderer følgende: bakterier som er resistente mot alle antibiotika; mer resistente og farlige bakterier og virus som lever lenger og dreper raskere, samt nye organismer som kan ugyldiggjøre effekten av en vaksine eller redusere den naturlige motstanden til mennesker og planter. Muligheten for å utvikle patogener som kan forstyrre en persons hormonbalanse nok til å forårsake død, og transformere ufarlige bakterier (som de som finnes i menneskets tarm) til mordere, har også blitt undersøkt. Noen eksperter mener at det også utvikles GI-patogener som retter seg mot spesifikke rasegrupper.

Ikke alle forskere er optimistiske når det gjelder genteknologi. Blant skeptikerne er Irwin Chargoff, en fremtredende biokjemiker ofte kalt molekylærbiologiens far. Han advarer om at ikke all innovasjon resulterer i «fremgang». Chargoff kalte en gang genteknologi for et "molekylært Auschwitz" og advarte om at genteknologi setter verden i større fare enn fremkomsten av kjernefysisk teknologi. "Jeg føler at vitenskapen har krysset en barriere som burde forbli ubrutt," skrev han i sin selvbiografi. Chargoff la merke til den "skremmende irreversibiliteten" til de planlagte genteknologiske eksperimentene, og advarte at "... du kan ikke angre ny uniform livet... det vil overleve deg, og dine barn, og dine barns barn. Et irreversibelt angrep på biosfæren er noe så uhørt, så utenkelig for tidligere generasjoner, at jeg bare kan ønske at jeg ikke var skyld i det.»

5. Konklusjon

Offentlig mening. Til tross for de åpenbare fordelene med genetisk forskning og eksperimentering, har selve konseptet "genteknologi" gitt opphav til ulike mistanker og frykt, og har blitt et tema for bekymring og til og med politisk kontrovers. Mange frykter for eksempel at et eller annet virus som forårsaker kreft hos mennesker vil bli introdusert i en bakterie som normalt lever i kroppen eller på huden til en person, og da vil denne bakterien forårsake kreft. Det er også mulig at et plasmid som bærer et medikamentresistensgen vil bli introdusert i en pneumokokk, noe som fører til at pneumokokken blir resistent mot antibiotika og forårsaker at lungebetennelse ikke kan behandles. Slike farer eksisterer utvilsomt. Genetisk forskning utføres av seriøse og ansvarlige forskere, og metoder for å minimere muligheten for utilsiktet spredning av potensielt farlige mikrober blir stadig forbedret. Ved å vurdere de mulige farene som disse studiene utgjør, bør de sammenlignes med de sanne tragediene forårsaket av underernæring og sykdommer som dreper og lemlester mennesker.

Genteknologi er en av de mest aktivt utviklende og lovende teknologiene i vår tid, som i fremtiden vil kunne løse mange problemstillinger innen medisin og mer. Min personlige mening om de fleste kontroversielle genteknologispørsmål lener seg mot å tillate forskning og anvendelse av disse teknologiene.

Etter min mening kan genetisk modifisering av organismer, med rimelig kontroll over denne prosessen, løse noen alvorlige problemer modernitet. Spesielt bruken av genetisk modifikasjon i medisin for behandling av ulike sykdommer virker for meg å være et positivt fenomen som ikke forårsaker noen klager på dette stadiet av utviklingen av vitenskapen.

Når det gjelder bruk av genetisk modifikasjon i landbruket og distribusjon av genmodifiserte produkter, er etter min mening ikke deres hypotetiske fare for menneskers helse bekreftet. Det virker for meg at hvis standard sikkerhetsstudier av disse produktene indikerer at bruken er mulig, trenger de ikke ytterligere forskning. GMO i dette tilfellet bør betraktes som en ny type plante eller produkt, og forutsatt at den oppfyller alle standard mattrygghetsstandarder, bør bruken være klart tillatt. Jeg deler også synspunktet om at GMF, på grunn av spesiell kontroll over dem, forbedring av deres egenskaper på genetisk nivå og fravær av behovet for å bruke ulike gjødsel som er skadelig for mennesker under dyrking, kan være enda sikrere enn vanlige produkter Jordbruk.

Kloningsproblemer byr på alvorlige etiske problemer når det kommer til menneskelig kloning. På dette stadiet er argumentene om behovet for reproduktiv kloning av mennesker, etter min mening, ikke overbevisende nok, og derfor virker forbudet mot reproduktiv kloning berettiget for meg. Dette betyr imidlertid ikke at all forskning på dette området bør stoppes, for hvis vitenskapen kan gi større sannsynlighet for klonoverlevelse, og publikum kan løse andre kontroversielle spørsmål, kan reproduktiv kloning godt tillates.

Spørsmålet om terapeutisk kloning er også ganske komplisert, fordi for å få stamceller er det nødvendig å stoppe utviklingen av et embryo, som i prinsippet kan utvikle seg til et barn. Det virker for meg som om dette etiske problemet på en eller annen måte ligner problemet med abort. Men alt tatt i betraktning er jeg tilbøyelig til å gå inn for å tillate terapeutisk kloning fordi dette kan redde en persons liv på bekostning av et mulig liv avbrutt i fødselsstadiet.

Når det gjelder studier og forskning på kloningsspørsmål, spesielt reproduktiv kloning av dyr, bør det etter min mening være tillatt, siden det er urimelig å forby det i sammenheng med bruk av dyr i andre typer laboratorieforskning.

Bibliografi.

1. Bochkarev A. I. Konsepter moderne naturvitenskap: lærebok for universitetsstudenter / A. I. Bochkarev, T. S. Bochkareva, S. V. Saksonov; redigert av prof. A. I. Bochkareva. – Togliatti: TGUS, 2008. – 386 s.

2. G96Guseikhanov M.K., Radzhabov O.R. Concepts of moderne naturvitenskap: Lærebok. - 6. utgave, revidert. og tillegg - M.: Publiserings- og handelsselskap "Dashkov and Co", 2007. - 540 s.

- Dette er produksjon av produkter og materialer som er nødvendige for mennesker ved bruk av levende organismer, dyrkede celler og biologiske prosesser.

Bioteknologiske muligheter er uvanlig store på grunn av det faktum at metodene er mer lønnsomme enn konvensjonelle: de brukes til optimale forhold(temperatur og trykk), mer produktiv, miljøvennlig og krever ikke kjemiske reagenser som forgifter miljøet osv.

Bioteknologiobjekter: mange representanter for grupper av levende organismer - mikroorganismer (virus, bakterier, protister, gjær, etc.), planter, dyr, samt celler og subcellulære strukturer isolert fra dem (organeller). Bioteknologi basert om de fysiologiske og biokjemiske prosessene som forekommer i levende systemer, som et resultat av hvilke energi frigjøres, syntese og nedbrytning av metabolske produkter, og dannelsen av kjemiske og strukturelle komponenter i cellen.

Hovedretninger for bioteknologi:

1) produksjon ved hjelp av mikroorganismer og dyrkede eukaryote celler av biologisk aktive forbindelser (enzymer, vitaminer, hormonelle legemidler), medisiner (antibiotika, vaksiner, serum, svært spesifikke antistoffer, etc.), samt proteiner, aminosyrer brukt som fôrtilsetningsstoffer;

2) søknad biologiske metoder anti-forurensning ( biologisk behandling avløpsvann, jordforurensning, etc.) og for å beskytte planter mot skadedyr og sykdommer;

3) opprettelse av nye nyttige stammer av mikroorganismer, plantevarianter, dyreraser, etc.

Bioteknologiens mål, metoder og prestasjoner.

Menneskeheten må lære å effektivt endre den arvelige naturen til levende organismer for å forsyne seg med mat og råvarer av god kvalitet og samtidig ikke lede planeten til miljøkatastrofe. Derfor er det ingen tilfeldighet hovedoppgave oppdrettere i vår tid har blitt løsningen på problemet med å skape nye former for planter, dyr og mikroorganismer som er godt tilpasset industrielle produksjonsmetoder, kan tåle ugunstige forhold, effektivt bruke solenergi og, viktigst av alt, tillate å skaffe biologisk rene produkter uten overdreven miljøforurensning. I bunn og grunn nye tilnærminger En løsning på dette grunnleggende problemet er bruken av genteknologi og celleteknologi i avl.

Genteknologi -

en gren av molekylær genetikk assosiert med målrettet opprettelse av nye DNA-molekyler som er i stand til å formere seg i en vertscelle og kontrollere syntesen av de nødvendige cellemetabolittene.

Etter å ha dukket opp i skjæringspunktet mellom nukleinsyrekjemi og mikrobiell genetikk, Genteknologi omhandler å dechiffrere strukturen til gener, deres syntese og kloning, å sette inn gener isolert fra cellene til levende organismer eller nysyntetiserte gener inn i plante- og dyreceller for å spesifikt endre deres arvelige egenskaper.

For å utføre genoverføring (eller transgenese) fra en organismeart til en annen, ofte svært fjernt i opprinnelse, er det nødvendig å utføre flere komplekse operasjoner:

isolering av gener (individuelle DNA-fragmenter) fra celler bakterier, planter eller dyr. I noen tilfeller erstattes denne operasjonen av kunstig syntese av de nødvendige genene;

tilkobling (søm) individuelle DNA-fragmenter av hvilken som helst opprinnelse inn i et enkelt molekyl som en del av et plasmid;

introduksjon av hybrid plasmid DNA inneholdende det ønskede genet inn i vertscellene;

kopiering (kloning) av dette genet i den nye verten for å sikre driften.

Klonede gener mikroinjiseres i pattedyregg eller planteprotoplaster (isolerte celler som mangler en cellevegg) og hele dyr eller planter dyrkes fra dem, i hvis genom de klonede genene er bygget (integrert). Planter og dyr hvis genom har blitt endret gjennom genteknologiske operasjoner kalles transgene planter eller transgene dyr.

Transgene mus, kaniner, griser, sauer har allerede blitt oppnådd, i hvis genom virker fremmede gener av forskjellig opprinnelse, inkludert gener fra bakterier, gjær, pattedyr, mennesker, så vel som transgene planter med gener fra andre, ubeslektede arter. Transgene organismer indikerer det store potensialet til genteknologi som en anvendt gren av molekylær genetikk (for eksempel er det oppnådd en ny generasjon av transgene planter, som er preget av slike verdifulle egenskaper som resistens mot ugressmidler, insekter, etc.).

I dag har genteknologiske metoder gjort det mulig utføre syntese i industrielle mengder hormoner som insulin, interferon og somatotropin (veksthormon), som er nødvendige for behandling av en rekke genetiske sykdommer hos mennesker - diabetes mellitus, visse typer ondartede svulster, dvergvekst,

Ved hjelp av genetiske metoder ble det også oppnådd stammer av mikroorganismer (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans, etc.) som produserer titusenvis av ganger flere vitaminer (C, B 3, B 13, etc.) enn de opprinnelige formene.

Celleteknikk-

et sett med metoder som brukes til å konstruere nye celler. Inkluderer dyrking og kloning av celler i spesielt utvalgte medier, cellehybridisering, transplantasjon av cellekjerner og andre mikrokirurgiske operasjoner for «demontering» og «montering» (rekonstruksjon) av levedyktige celler fra individuelle fragmenter.

I kjernen celleteknikk ligger bruken av metoder dyrking isolerte celler og vev på et kunstig næringsmedium under kontrollerte forhold. Dette ble mulig på grunn av plantecellenes evne, som et resultat av regenerering, til å danne en hel plante fra en enkelt celle. Regenereringsforhold er utviklet for mange kulturplanter - poteter, hvete, bygg, mais, tomater osv. Arbeid med disse objektene gjør det mulig å bruke utradisjonelle metoder for celleteknikk i avl - somatisk hybridisering, haploidi, celleseleksjon, overvinnelse ukryssbarhet i kultur osv.

Kloning -

en metode for å produsere flere identiske organismer gjennom aseksuell (inkludert vegetativ) reproduksjon. På denne måten har mange arter av planter og dyr reprodusert seg i naturen i millioner av år. Men nå brukes begrepet "kloning" vanligvis i en snevrere forstand og betyr kopiering av celler, gener, antistoffer og til og med flercellede organismer i laboratoriet. Prøver som vises som et resultat av aseksuell reproduksjon er per definisjon genetisk identiske, men arvelig variasjon kan observeres i dem, forårsaket av tilfeldige mutasjoner eller skapt kunstig ved laboratoriemetoder.

Tematiske oppgaver

A1. Produksjonen av legemidler, hormoner og andre biologiske stoffer utføres i en slik retning som

1) genteknologi

2) bioteknologisk produksjon

3) landbruksnæring

4) agronomi

A2. Når er vevskultur mest nyttig?

1) når du får en hybrid av eple og pære

2) når du avler rene linjer med glattfrøede erter

3) om nødvendig, transplanter hud til en person med brannskader

4) når man oppnår polyploide former for kål og reddik

A3. For å kunstig produsere humant insulin ved hjelp av genteknologiske metoder i industriell skala, er det nødvendig

1) introduser genet som er ansvarlig for syntesen av insulin i bakterier, som vil begynne å syntetisere humant insulin

2) introdusere bakteriell insulin i menneskekroppen

3) kunstig syntetisere insulin i et biokjemisk laboratorium

4) dyrke en kultur av humane bukspyttkjertelceller som er ansvarlige for syntesen av insulin.

Bioteknologi er bevisst produksjon av produkter og materialer som mennesker trenger ved bruk av levende organismer og biologiske prosesser.

I uminnelige tider har bioteknologi blitt brukt hovedsakelig i mat- og lettindustri: i vinproduksjon, bakeri, gjæring av meieriprodukter, i bearbeiding av lin og lær, basert på bruk av mikroorganismer. De siste tiårene har bioteknologiens muligheter utvidet seg enormt. Dette skyldes det faktum at metodene er mer lønnsomme enn konvensjonelle, av den enkle grunn at i levende organismer skjer biokjemiske reaksjoner katalysert av enzymer under optimale forhold (temperatur og trykk), er mer produktive, miljøvennlige og ikke krever kjemiske reagenser som forgifter miljøet.

Objektene for bioteknologi er mange representanter for grupper av levende organismer - mikroorganismer (virus, bakterier, protozoer, gjær), planter, dyr, så vel som celler isolert fra dem og subcellulære komponenter (organeller) og til og med enzymer. Bioteknologi er basert på fysiologiske og biokjemiske prosesser som forekommer i levende systemer, som resulterer i frigjøring av energi, syntese og nedbrytning av metabolske produkter, og dannelse av kjemiske og strukturelle komponenter i cellen.

Hovedretningen for bioteknologi er produksjon, ved bruk av mikroorganismer og dyrkede eukaryote celler, av biologisk aktive forbindelser (enzymer, vitaminer, hormoner), medisiner (antibiotika, vaksiner, serum, svært spesifikke antistoffer, etc.), samt verdifulle forbindelser ( fôrtilsetningsstoffer, for eksempel essensielle aminosyrer, fôrproteiner, etc.). Genteknologiske metoder har gjort det mulig å syntetisere i industrielle mengder hormoner som insulin og somatotropin (veksthormon), som er nødvendige for behandling av menneskelige genetiske sykdommer.

Et av de viktigste områdene innen moderne bioteknologi er også bruk av biologiske metoder for å bekjempe miljøforurensning (biologisk rensing av avløpsvann, forurenset jord, etc.).

For å trekke ut metaller fra avløpsvann, kan bakteriestammer som er i stand til å samle uran, kobber og kobolt bli mye brukt. Andre bakterier av slektene Rhodococcus og Nocardia brukes med hell til emulgering og sorpsjon av petroleumshydrokarboner fra vannmiljøet. De er i stand til å skille vann- og oljefaser, konsentrere olje, rense avløpsvann fra oljeforurensninger. Ved å assimilere petroleumshydrokarboner omdanner slike mikroorganismer dem til proteiner, B-vitaminer og karotener.

Noen av halobakteriestammene brukes med hell til å fjerne fyringsolje fra sandstrender. Det er også oppnådd genmanipulerte stammer som kan bryte ned oktan, kamfer, naftalen og xylen og effektivt utnytte råolje.

Bruk av bioteknologiske metoder for å beskytte planter mot skadedyr og sykdommer er av stor betydning.

Bioteknologi er på vei inn i tungindustrien, hvor mikroorganismer brukes til å utvinne, omdanne og behandle naturressurser. Allerede i antikken skaffet de første metallurgene jern fra myrmalm produsert av jernbakterier, som er i stand til å konsentrere jern. Nå er det utviklet metoder for bakteriekonsentrasjon av en rekke andre mineralmetaller: mangan, sink, kobber, krom osv. Disse metodene brukes til å utvikle deponier av gamle gruver og dårlige forekomster, hvor tradisjonelle gruvemetoder ikke er økonomisk forsvarlige.

Genteknologi er en av de viktigste metodene innen bioteknologi. Det innebærer målrettet kunstig dannelse av visse kombinasjoner av genetisk materiale som er i stand til å fungere normalt i en celle, dvs. multiplisere og kontrollere syntesen av sluttprodukter. Det finnes flere typer genteknologimetoder, avhengig av nivået og egenskapene til bruken.

Genteknologi brukes hovedsakelig på prokaryoter og mikroorganismer, selv om den nylig har begynt å bli brukt på høyere eukaryoter (for eksempel planter). Denne metoden involverer isolering av individuelle gener fra celler eller syntese av gener utenfor celler (for eksempel basert på messenger-RNA syntetisert av et gitt gen), rettet omorganisering, kopiering og forplantning av isolerte eller syntetiserte gener (genkloning), i tillegg som deres overføring og inkludering i emnet for å endre genom. På denne måten er det mulig å oppnå inkludering av "fremmede" gener i bakterieceller og syntese av forbindelser som er viktige for mennesker av bakterier. Takket være dette var det mulig å introdusere insulinsyntesegenet fra det menneskelige genomet i E. coli-genomet. Insulin syntetisert av bakterier brukes til å behandle pasienter med diabetes.

Utviklingen av genteknologi ble mulig takket være oppdagelsen av to enzymer - restriksjonsenzymer, som kutter DNA-molekylet i strengt definerte områder, og ligaser, som syr bitene sammen ulike molekyler DNA med hverandre. I tillegg er genteknologi basert på oppdagelsen av vektorer, som er korte sirkulære DNA-molekyler som uavhengig reproduserer i bakterieceller. Ved hjelp av restriksjonsenzymer og ligaser settes det nødvendige genet inn i vektorene, og oppnås deretter inkludering i vertscellens genom.

Celleteknikk er en metode for å konstruere en ny type celler basert på deres dyrking, hybridisering og rekonstruksjon. Den er basert på bruk av celle- og vevskulturmetoder. Det er to områder innen celleteknikk: 1) bruk av celler overført til kultur for syntese av forskjellige forbindelser som er nyttige for mennesker; 2) bruk av dyrkede celler for å få regenererte planter fra dem.

Planteceller i kultur er en viktig kilde til verdifulle naturlige stoffer, siden de beholder evnen til å syntetisere sine karakteristiske stoffer: alkaloider, essensielle oljer, harpikser, biologisk aktive forbindelser. Dermed fortsetter ginsengceller overført til kultur å syntetisere, som i sammensetningen av hele planten, verdifulle medisinske råvarer. Dessuten, i kultur, kan enhver manipulasjon utføres med celler og deres genomer. Ved å bruke indusert mutagenese er det mulig å øke produktiviteten til dyrkede cellestammer og utføre deres hybridisering (inkludert fjernhybridisering) mye enklere og enklere enn på nivået til hele organismen. I tillegg kan genteknologisk arbeid utføres med dem, som med prokaryote celler.

Ved å hybridisere lymfocytter (celler som syntetiserer antistoffer, men vokser motvillig og i kort tid i kultur) med tumorceller som har potensiell udødelighet og er i stand til ubegrenset vekst i et kunstig miljø, er et av bioteknologiens viktigste problemer løst. moderne scene- hybridomceller som er i stand til endeløs syntese av svært spesifikke antistoffer av en viss type ble oppnådd.

Dermed gjør celleteknikk det mulig å konstruere en ny type celler ved hjelp av mutasjonsprosessen, hybridisering og dessuten å kombinere individuelle fragmenter av forskjellige celler (kjerner, mitokondrier, plastider, cytoplasma, kromosomer, etc.), celler av forskjellige typer , relatert ikke bare til forskjellige slekter, familier, men også riker. Dette letter løsningen av mange teoretiske problemer og har praktisk betydning.

Celleteknikk er mye brukt i planteavl. Hybrider av tomat og potet, eple og kirsebær er utviklet. Planter med endret arv regenerert fra slike celler gjør det mulig å syntetisere nye former og varianter som har gunstige egenskaper og motstandsdyktig mot ugunstige miljøforhold og sykdommer. Denne metoden er også mye brukt for å "redde" verdifulle varianter påvirket av virussykdommer. Fra deres spirer i kultur blir flere apikale celler isolert, ennå ikke påvirket av viruset, og friske planter blir regenerert fra dem, først i et reagensrør, og deretter transplantert i jord og forplantet.



Celleteknikk

Celleteknikk– dyrking av celler utenfor kroppen på spesielle næringsmedier, hvor de vokser og formerer seg, og danner en vevskultur. Dette er en metode for å konstruere en ny type celler basert på deres dyrking, hybridisering og rekonstruksjon. Cellulær rekonstruksjon assosiert med opprettelsen av en levedyktig celle fra individuelle fragmenter av forskjellige celler (kjerne, cytoplasma, kromosomer, etc.). Ved hjelp av celleteknikk er det mulig å koble genomene til svært fjerne arter. Den grunnleggende muligheten for fusjon av somatiske dyreceller med planteceller er vist. Studiet av hybridceller gjør det mulig å løse mange teoretiske problemer innen biologi og medisin: å klargjøre gjensidig påvirkning av kjernen og cytoplasma; mekanismer for celledifferensiering og regulering av cellereproduksjon, transformasjon av normale celler til kreftceller, etc.

På hybridisering kombinerer kunstig hele celler (celleprotoplaster) for å danne hybrid genom. Ved hjelp av enzymer eller ultralyd fjernes celleveggene til plantecellene og de "nakne" protoplastene til cellene kobles sammen. Etter dette blir celleveggene restaurert og dannet ring oss- en uorganisert cellemasse som forårsaker differensiering av cellene som en hel hybridplante er oppnådd av.

Celleteknikk er mye brukt i bioteknologi, for eksempel bruken hybrider(hybridceller) for å produsere monoklonale antistoffer. Basert på genmodifiserte celler er det mulig å lage nye former for planter som har nyttige egenskaper og er motstandsdyktige mot gunstige miljøforhold og sykdommer.

Genteknologi - kunstig genom-omorganisering. En gren av molekylær genetikk assosiert med målrettet opprettelse in vito (in vitro) av nye kombinasjoner av genetisk materiale som er i stand til å formere seg i en vertscelle og syntetisere metabolske produkter. Ledsaget av kunstig overføring av nødvendige gener fra en type levende organisme (bakterier, planter, dyr) til en annen, ofte fjernt i opprinnelse. Moderne genteknologier brukes til genterapi, d.v.s. behandling av arvelige sykdommer ved å introdusere "sunne" gener til en person.

Den høyeste prestasjonen av moderne bioteknologi er genetisk transformasjon, overføring av fremmede gener og andre materielle bærere av arv til cellene til planter, dyr og mikroorganismer, produksjon av transgene organismer med nye eller forbedrede egenskaper og egenskaper. Når det gjelder mål og evner i fremtiden, er denne retningen strategisk. Det gjør det mulig å løse grunnleggende problemer ved valg av biologiske objekter for stabilitet, høy produktivitet og produktkvalitet samtidig som miljøsituasjonen i alle typer produksjon forbedres. For å nå disse målene må imidlertid enorme vanskeligheter overvinnes med å øke effektiviteten til genetisk transformasjon og fremfor alt med å identifisere gener, lage deres kloningsbanker, dechiffrere mekanismene for polygen bestemmelse av egenskaper og egenskaper til biologiske objekter, og sikre høye gener. uttrykk og skape pålitelige vektorsystemer. Allerede i dag, i mange laboratorier rundt om i verden, inkludert i Russland, ved bruk av genteknologiske metoder, er det opprettet fundamentalt nye transgene planter, dyr og mikroorganismer som har fått kommersiell anerkjennelse.

Moderne bioteknologi

Moderne bioteknologi nært grensesnitt med en rekke vitenskapelige disipliner, utfører deres praktiske anvendelse eller er deres hovedverktøy (fig. 1).

Ris. 1. Forholdet mellom bioteknologi og andre vitenskaper (ifølge V.I. Kefeli, 1989)

I molekylærbiologi gjør bruken av bioteknologiske metoder det mulig å bestemme strukturen til genomet, forstå mekanismen for genuttrykk, modellere cellemembraner for å studere funksjonene deres, etc. Konstruksjonen av de nødvendige genene ved hjelp av genetiske og cellulære ingeniørmetoder gjør det mulig å kontrollere arven og vitale aktiviteten til dyr, planter og mikroorganismer og skape organismer med nye egenskaper nyttige for mennesker som ikke tidligere er observert i naturen.

Mikrobiologiindustrien bruker i dag tusenvis av stammer av forskjellige mikroorganismer. I de fleste tilfeller forbedres de ved indusert mutagenese og påfølgende seleksjon. Dette tillater storskala syntese av ulike stoffer.

Noen proteiner og sekundære metabolitter kan bare oppnås ved å dyrke eukaryote celler. Planteceller kan tjene som en kilde til en rekke forbindelser - atropin, nikotin, alkaloider, saponiner, etc. Dyre- og menneskeceller produserer også en rekke biologisk aktive forbindelser. Hypofyseceller inneholder for eksempel lipotropin, en stimulator for fettnedbrytning, og somatotropin, et hormon som regulerer veksten.

Det er laget kontinuerlige dyrecellekulturer som produserer monoklonale antistoffer, mye brukt for å diagnostisere sykdommer. I biokjemi, mikrobiologi og cytologi er metoder for immobilisering av både enzymer og hele celler av mikroorganismer, planter og dyr av utvilsomt interesse. I veterinærmedisin er bioteknologiske metoder som celle- og embryokultur, in vitro oogenese og kunstig inseminering mye brukt. Alt dette tyder på at bioteknologi vil bli en kilde til ikke bare nye matprodukter og medisiner, men også til energi og nye kjemikalier, samt organismer med ønskede egenskaper.