Проблемы генной инженерии

Генная инженерия и проблемы безопасности

12345Следующая ⇒

ВКонтакте: http://vk.com/tigrenok_tgu ; http://vk.com/school_tgu

На сайте ТюмГУ:www.utmn.ru ; www.dar.utmn.ru

Трансгенные продукты

Генная инженерия и проблемы безопасности

Достижения генной инжене- рии совсем недавно казались фан- тастикой, но реальные воплоще- ния ее результатов в практическую деятельность человека превзошли все ожидания. Очевидные резуль- таты использования генно — инже- нерных решений в медицине, сельском хозяйстве и в пищевой промышленности доказали огром- ные возможности улучшения, пре- образования и создания новых объектов человеческой деятельно- сти, но еще больше они открыли перспектив для реализации этой деятельности.

Это молодая, но уже окрепшая область научных изысканий создала мощный фундамент развития отраслей народного хозяйства.

Первоначально к генетической инженерии относили работы только с отдельными молекулами ДНК или генами. В настоящее время понятие «гене- тическая инженерия» расширено и в ней выделено два раздела: генная инже- нерия и геномная инженерия.

Генная инженерия (или трансгеноз) методами in vivo и in vitro решает

задачи введения в геном реципиентной клетки одного или нескольких чуже- родных генов либо создания в геноме новых типов регуляторных связей. При этом видовая принадлежность реципиентных организмов не меняется, но по- являются не свойственные им признаки.

Геномная инженерия связана со всей генетической программой орга- низма, и перед ней стоят задачи более глубокого вмешательства в геном, вплоть до создания новых видов организмов.

Остановимся лишь на общих подходах в получении и применении ген-

но-модифицированных объектов в технологии пищевых продуктов.

Общие подходы.Генная инженерия в самом широком смысле слова — это рекомбинация in vitro, и суть ее заключается в конструировании организ- мов с заданными свойствами путем целенаправленных операций над молеку- лами или структурами, несущими генетическую информацию. При этом ви- довая принадлежность организмов не меняется, но появляются не свойствен- ные им признаки.

Генная инженерия возникла не вдруг, а имеет богатую предысторию. Своими корнями она уходит в период развития методов классической гене- тики (1900-1940). В этот период с помощью количественного анализа, вве- денного Г. Менделем, и работ по изучению законов поведения наследствен- ных признаков удалось сформулировать основное понятие об единице на- следственности — гене. Однако материальная природа генов оставалась до се- редины столетия неизвестной, а генетические методы в этот период носили чисто формальный характер.

С введением микроорганизмов в практику генетики (начало 40-х годов XX в.) увеличилась разрешающая способность генетического анализа и поя- вилась возможность взглянуть на наследственность и изменчивость с хими- ческой точки зрения.

В этот период были заложены основы для возникновения генной инже-

нерии как науки, было показано, что материальной основой наследственно- сти и изменчивости являются молекулы ДНК, постулирована двухцепочеч- ная структура ДНК, доказано, что наследственная информация, содержащая- ся в ДНК, кодируется последовательностью пар оснований. Открыта и — РНК и доказано, что она содержит информацию, определяющую порядок распо- ложения аминокислотных остатков в белках, установлено, что ген не только кодирует структуру определенного продукта, но и регулирует процесс его синтеза. Полностью расшифрован генетический код и обнаружены элементы, управляющие действием генов, промоторы, операторы, терминаторы транс- крипции и трансляции. Энзимологи обнаружили разнообразные ферменты матричного синтеза.

В конце 60-70-х годов XX в. получили распространение исследования нуклеиновых кислот методами in vitro, позволившие синтезировать, выделять и перемещать гены. Так, в 1969 г. Дж. Беквиту с сотрудниками удалось выде- лить лактозный оперон Е. coli в чистом виде. В эти же годы Г. Корана впер- вые химическим путем синтезировал ген аланиновой т-РНК дрожжей. В свою очередь, значительных успехов достигли эмбриологи при работе с за- родышевыми клетками животных.

Стало понятным, что если есть эмбриональные клетки и «чистые» ге- ны, то появляется возможность заменить определенные дефектные гены пол- ноценными, т. е. осуществить генную терапию.

На рубеже 70-х годов были созданы условия для перехода от анализа генов к их синтезу, от изучения ге- нетической природы организмов к их переделке. Вскоре ученые пришли к выводу, что наиболее реальной является задача конструирования бактерий с не свойственными им признаками, в том числе высокоэффективных штаммов промышленных микроорганизмов.

В 1973 г. С. Коэном было обнаружено, что фрагменты ДНК с «липкими концами» можно получить обработкой ДНК рестрикционными эндонуклеа- зами. В плазмиду ДНК были встроены фрагменты чужеродной ДНК, в ре- зультате чего получены химерные плазмиды. В результате проведенных ис- следований было доказано, что их можно ввести обратно в клетки бактерий в функционально активном состоянии, т. е. клонировать. В последующие годы была продемонстрирована принципиальная возможность клонирования фрагментов ДНК в бактериях любого гена, было сформулировано представ- ление о векторных молекулах, разработаны новые методы объединения фрагментов ДНК in vitro, выявлены основные закономерности экспрессии генов в чужеродном окружении.

Генная инженерия позволяет решать важнейшие для человека задачи:

• повышать эффективность отдельных генов у продуцентов, изменив или

интенсифицировав их функции, что улучшает биосинтетическую дея-

тельность штамма, например без введения новой генетической инфор-

мации, а модифицируя его собственную;

• выделять конкретный ген, отвечающий за синтез того или иного белка, и

получать мутации;

• получать мутации промоторов, от которых зависит активность генов;

вводить усилители активности промоторов (энхансеры);

• создавать штаммы микроорганизмов, утилизирующие отходы различных

производств; продукты переработки нефти, биологически активные ве-

щества (ксенобионты), создаваемые человеком; другие загрязнители ок- ружающей среды, стимулируя тем самым развитие безотходных техно- логий;

• улучшать свойства штаммов, внося в неспаривающиеся микроорганизмы

половые плазмиды, обеспечивающие спаривание и обмен генетической

информацией;

• вносить в клетки микробов гены других групп организмов и получать

продукты этих генов;

• создавать новые белки, конструируя новые гены путем их синтеза или

клонирования.

Генная инженерия достигла существенных результатов при решении прикладных задач. Например, в лаборатории Г. Бойера (США, 1977 г.) впер- вые удалось заставить бактериальную клетку производить животный гормон

— соматостатин, выход которого составил 10 тыс. молекул на клетку. Из 100 г биомассы бактерий, выращенных в 8 дм3 среды, удалось выделить 5 мг сома- тостатина — столько же, сколько выделяют из 100 овечьих мозгов. Так, в США была создана первая генно-инженерная компания (Genentech) для про-

изводства медицинских препаратов с использованием методов рекомбинант- ных ДНК, а с 1980 г. начато строительство первого предприятия (в г. Стренг- несе) для промышленного производства генно-инженерного инсулина.

К настоящему моменту в клетках Escherichia coli клонировано большое многообразие генов различных организмов, в том числе генов человека. Для

многих из них осуществлена экспрессия. Эта возможность использована для

получения видоспецифических продуктов (инсулина, интерферонов, гормона роста), а также белков — антигенов тех вирусов, которые слабо размножаются или не размножаются совсем в клеточных культурах (вирус гепатита В, гриппа, ящура, SV40).

Генная инженерия и возникшее на ее основе новое направление био- технологии, несомненно, стали мощным средством воздействия человека на окружающую среду и самого себя.

Открытие ферментов — рестриктаз, «разрезающих» молекулу ДНК тол- щиной в одну миллионную миллиметра на маленькие кусочки, словно нож- ницы, было сделано швейцарским биохимиком Вернером Арбером в 60-х го- дах XX в. Спустя десятилетие американцы Герберт и Бойер установили спо-

собность рестриктаз разрезать ДНК только в определенных местах. В этот же

период стали известны ферменты лигазы, склеивающие «разрезанные» уча- стки. Вооружившись багажом знаний своих предшественников, С. Коэн и Г. Бойер в 1973 г. приступили к первым опытам с рекомбинантной ДНК. В

1978 г. был получен первый результат: «сконструированный» в пробирке из фрагментов ДНК ген инсулина человека был встроен в разрезанные кольца

плазмид бактерий, после чего плазмиды вернули обратно в бактерию, кото-

рая начала интенсивно синтезировать инсулин человека.

Получение рекомбинантных ДНК.Генетическая инженерия сводится по существу к процессу получения рекомбинантных ДНК, содержащих, помимо набора природных генов, присущего «хозяйской» ДНК, «чужой» ген или гены, взятые из другой ДНК. Метод получения рекомбинантных ДНК состоит из нескольких этапов:

а) выделение ДНК из клеток организма (получение генетического ма-

териала);

б) получение гибридных (рекомбинантных) молекул ДНК путем встройки в исходную ДНК «чужого» гена, выделенного из другой ДНК или полученного химическим синтезом;

в) введение рекомбинантной ДНК в живую клетку (бактерий, дрожжей,

растительных или животных клеток, клеток человека);

г) создание условий для проявления (экспрессии) генов рекомбинант- ной ДНК в живой клетке и секреции нового продуцента, кодируемого «чу- жим» геном.

На рис. 2.1 показана схема получения рекомбинантных ДНК и реком-

бинантных штаммов микробов. Из рис. 2.1 видно, что клонированный (т.е. выделенный из ДНК клетки) природный или химически синтезированный ген целевого продукта (например, инсулина, интерферона) встраивается в ДНК (на- пример, в плазмиду какой-либо бактерии или в ДНК вируса) после расщепле- ния ДНК с помощью ферментов рестриктаз. Вставленный в расщепленную ДНК ген «сшивается» с этой ДНК с помощью ферментов лигаз. Полученная реком- бинантная ДНК бактерий или вируса затем вводится в эту же микробную клетку или вирусную частицу, из которой была взята, и таким образом получают ре- комбинантный штамм бактерий или вирусов.

ДНК 2

плазмида

ДНК 1

Фаг

Вирус

Клетка с рекомбинантной

ДНК

Целевой ген

Рестриктаза

Введение

в клетку

+

Рестриктаза

Лигаза

Клонированный или химически синтезированный целевой ген

Расщепленная

ДНК 2 (вектор)

Рекомбинантная ДНК

(плазмида с целевым геном)

Рис. 2.1. Получение рекомбинантных ДНК и рекомбинантных штаммов микроорганизмов (генетическая инженерия)

При культивировании рекомбинантного штамма в процессе роста и раз- множения этот штамм синтезирует не свойственный ему продукт, кодируемый встроенным чужеродным геном (например, инсулин, интерферон). На этом принципе в настоящее время получены сотни рекомбинантных штаммов бакте- рий, дрожжей, вирусов, способных продуцировать разнообразные биологически активные вещества: антигены, антитела, ферменты, гормоны, иммуномодулято-

ры и др. Технология получения биологически активных веществ, основанная на применении рекомбинантных штаммов, по существу не отличается от типовой биотехнологической схемы. Она сводится к культивированию рекомбинантного штамма, выделению синтезируемого штаммом целевого продукта, его очистке и концентрированию и созданию конечной формы препарата.

В настоящее время уже разработаны сотни медицинских препаратов, полученных на основе генетической инженерии. Многие из них внедрены в практику и применяются в медицине. Это гормоны (инсулин и гормон роста человека), антикоагулянты и тромболитики (тканевой активатор плазминогена, факторы VIII и IX), вакцины («дрожжевая» вакцина против гепатита В), им- муномодуляторы (интерфероны а, р и у, интерлейкины 1, 2 и др., фактор нек- роза опухолей, пептиды тимуса, миелопептиды), ферменты (уреаза), ангиоге- нин, диагностические препараты (на ВИЧ-инфекцию, вирусные гепатиты и др.), моноклопальные антитела, колониестимулирующие факторы (макрофагальный, гранулоцитарный и др.), а также многие биологически активные пептиды.

Применение генетической инженерии в биотехнологии оправдано в тех случаях, когда: а) нужное вещество невозможно получить никаким другим спо- собом; б) если технология эффективнее и экономичнее традиционной или в) если она более безопасна для человека и окружающей среды. Например, антиге- ны для создания вакцин против некультивируемых микроорганизмов (плазмо- дий малярии, возбудитель сифилиса) можно получить только генно-инженерным способом. Генно-инженерный интерферон превосходит по активности интер- ферон, полученный из лейкоцитов крови, и значительно дешевле последнего. Приготовление препаратов из антигенов возбудителей особо опасных инфекций (чума, холера) можно заменить биосинтезом их рекомбинантными штаммами непатогенных бактерий.

Практические аспекты генной инженерии.Цель генной инженерии —

получение клеток (в основном бактериальных), об- ладающих высокой генеративной и биосинтетиче- ской способностями, которые в промышленном масштабе могут продуцировать вещества, необхо- димые человеку.

Развитие генной инженерии создало принци-

пиально новую основу для конструирования после-

довательности ДНК, необходимой для практической

деятельности человека. Рис. 2.2. Опухоли на стеблях табака

Для внедрения чужеродной ДНК в геном расте-

ний существуют следующие методы:

• агробактериальная трансформация;

• электропорация;

• микроинъекция ДНК;

• агроинфильтрация;

• бомбардировка микрочастицами;

• использование вирусных векторов.

Весьма широко применяется метод, основан-

ный на способности агробактерии Agrobacterium turnefaciens (пищевая бактерия, вызывающая опухо- ли) встраивать участки своей ДНК в растения, после чего пораженные участки начинают очень быстро

Рис. 2.3. Опухоли растений, вызваемые агробактериями

делиться, и образуется опухоль (рис. 2.2, 2.3). Сначала ученые получили штамм этой бактерии, не вызывающей опухолей, но не лишенной возможно- сти вносить свою ДНК в клетку. В дальнейшем нужный ген сначала клони- ровали в агробактерии, а затем заражали уже этой бактерией растение. В ре- зультате инфицированные клетки растения приобретали нужные свойства, а вырастить целое растение из одной его клетки сейчас не проблема.

Используя успехи в области экспериментальной эмбриологии, был раз-

работан метод введения искусственно созданных генов в ядра яйцеклеток или сперматозоидов. В результате появилась возможность получения транс- генных животных, т. е. животных, несущих в своем геноме чужеродные ге- ны.

Эксперименты по клонированию животных впервые осуществили в 50-х годах XX в. американские эмбриологи Р. Бриге и Т. Кинг, которые пересади- ли в яйцеклетку лягушки ядро зрелой клетки, предварительно удалив из яй- цеклетки собственное ядро. В России подобные опыты несколько ранее про- водил Г. Лопашев, но результаты их не были опубликованы, так как генетика считалась в то время в СССР лженаукой.

Термин «клонирование» (от греч. «klon» — ветвь, побег) означает точное воспроизведение живого объекта в одной или нескольких копиях, притом это может быть:

• получение идентичных копий фрагментов ДНК (клонирование фрагмен-

тов ДНК);

• получение группы клеток с одинаковым генотипом (клонирование кле-

ток взрослого организма).

Исследователи работают над созданием растений, устойчивых к раз- личного рода заболеваниям благодаря введенному в их генотип специфиче- скому гену; стремятся избавить человечество от неизлечимых генетических болезней.

Из бактерий Escherichia coli получают соматотропин — гормон роста че- ловека. До 1980 г. его получали из гипофизов, выделенных из трупов. Сома- тотропин представляет собой полипептидную цепь, состоящую из 191 ами-

нокислоты. Недостаток гормона роста в организме приводит к карликовости. Полученный из клеток бактерии соматотропин свободен от вирусных загряз- нений, чист биохимически, экономически доступен, и его можно получать в любых количествах.

Способы модификации ДНК и перенос ее из одного организма в другой

позволили осуществить биосинтез инсулина человека в клетках Escherichia coli, получить интерферон (против вирусной инфекции, опухолей), создать новые виды вакцин (против гепатита, сифилиса, ящура животных).

Голландские ученые заявили, что они могут создать искусственное мя-

со в лабораторных условиях. При этом не придется убивать ни одного живо- го существа. Ученые планируют использовать тот же метод, которым поль- зуются при производстве искусственной кожи. По их мнению, можно полу- чить мясо массой 50 кг в больших контейнерах.

Мясо можно производить, используя коллагены и клетки мышечной ткани, полученные от доноров (животных). При этом последним не будет причинен какой-либо вред. Мышечная ткань затем будет выращиваться на коллагене.

Вместимость контейнеров при этом должна быть более 5000 л, где мя- со будет расти в специальном растворе, который состоит из 62 ингредиентов, включая 20 аминокислот, 12 витаминов и разнообразные ферменты. Конеч- ный продукт будет иметь структуру и вкус постного мяса, но, самое главное, по словам исследователей, не будут страдать животные. Голландские ученые заявляют, что свинина, говядина и мясо цыпленка могут быть получены ис- кусственным путем, для любителей мяса экзотических животных без про- блем можно вырастить мясо кенгуру, кита или различных моллюсков.

Генетическая инженерия (генная инженерия) — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами, введения их в другие организмы и выращивания искусственных организмов после удаления выбранных генов из ДНК.

Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, генетика, микробиология, вирусология.

Генная инженерия — экспериментальная наука. Возникла на стыке молекулярной биологии и генетики официально в 1972 г., когда в лаборатории П. Берга (Стенфордский университет, США) была получена первая рекомбинантная (гибридная) ДНК на базе объединения генетического материала, полный геном вируса обезьян 40, часть генома измерного бактериофага и гены галактозного оперона.

Генная инженерия служит для получения желаемых качеств изменяемого или генетически модифицированного организма. В отличие от традиционной селекции, в ходе которой генотип подвергается изменениям лишь косвенно, генная инженерия позволяет непосредственно вмешиваться в генетический аппарат, применяя технику молекулярного клонирования. Примерами применения генной инженерии являются получение новых генетически модифицированных сортов зерновых культур, производство человеческого инсулина путём использования генномодифицированных бактерий, производство эритропоэтина в культуре клеток или новых пород экспериментальных мышей для научных исследований.

Проводятся первые эксперименты по использованию бактерий с перестроенной ДНК для лечения больных.

Самые большие успехи периода конца XX — начала XXI в. были достигнуты, с одной стороны, благодаря выяснению полной последовательности генома человека и, с другой, — открытию 25 тысяч генов, регулирующих все жизненные процессы, протекающие в растениях, начиная с прорастания семян и кончая плодоношением.

Создаваемые в настоящее время новые технологии осуществляются не только на основе микроорганизмов, но и более сложных животных и растений. В частности, продукция, получаемая в результате введения различных ценных генов в клетки растений и животных, начинает применяться в народном хозяйстве. Например, путём внедрения в геном банана генов, синтезирующих вакцину против инфекционных болезней, учёные добились получения трансгенных растений, в плодах которых вырабатывается готовая вакцина. При употреблении в пищу таких плодов банана у человека вырабатывается иммунитет против инфекционных заболеваний. Эта технология, несомненно, имеет большое экономическое значение. Кроме того, в результате введения в геном растений генов, выделенных из бактерий, которые усваивают токсическую ртуть, в настоящее время получены трансгенные растения, усваивающие ртуть из почвы. Высаживание таких растений в местах, заражённых ртутью, позволяет очистить от неё почву.

Одним из последних достижений генетической инженерии является технология лечения различных наследственных заболеваний человека посредством введения в его клетки функциональных генов. Это называется генной терапией.

Широкое изучение генома человека ещё больше увеличило возможности лечения наследственных болезней с помощью генной терапии.

Генная инженерия нацелена на создание орга низмов с новыми комбинациями наследственных свойств путем конструирования функционально-активных генетических структур в форме рекомбинантных ДНК из фрагментов геномов разных организмов, которые вводились в клетку.

Достижения генетики и химии нуклеиновых кислот позволили разработать методологию генной инженерии:

  • открытие явления рестрикции — модификации ДНК и выделение ферментов рестриктаз для получения специфических ферментов;
  • создание методов химического и ферментативного синтеза генов;
  • выявление векторных молекул ДНК, способных перенести в клетку чужеродную ДНК и обеспечить там экспрессию соответствующих генов;
  • разработка методов трансформации у различных организмов и отбор клонов, несущих рекомбинантные ДНК.

На начальном этапе развития генной инженерии широко использовался способ получения генов из природных источников, и он до сих пор применяется для создания банка генов.

В том же году группой Корани впервые осуществлен химический синтез расшифрованного гена аланиновой тРНК дрожжей, но функционально не активный; позднее и активный ген супрессорный тирозиновой тРНК, галактозного оперона.

Метод химического синтеза генов и введения их в клетки микроорганизмов обеспечил возможность получения продуцентов инсулина человека для лечения больных диабетом, открылся путь для производства продуктов белковой природы.

Одним из перспективных методов клеточной инженерии в культуре клеток человека, животного и растения является гибридизация соматических клеток (Б. Эфрусси и Г. Барски). В культивируемые клетки млекопитающих или развивающиеся эмбрионы ДНК вводят методом микроинъекции ДНК в ядро с помощью микроманипулятора.

Развитие методов микрохирургии клеток позволило заменять ядра оплодотворенных яйцеклеток на ядра из соматических клеток и в результате получать организм, идентичный тому, чье ядро было перенесено в яйцеклетку.

Создание гибридов высших растений возможно путем слияния протопластов и соматической гибридизации растительных клеток.

Все эти методы могут использоваться для конструирования новых форм микроорганизмов, животных и растений, несущих гены, детерминирующие желаемые признаки.

Не менее важна генная инженерия как аппарат фундаментальных исследований. Потенциальные возможности генной инженерии в действительности очень велики, и они будут реализовываться.

Клонирование есть воспроизведение живого существа из его неполовых клеток. Это попытка прорыва сквозь запреты Природы. Клонирование органов и тканей— это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и др. областях медицины и биологии. При пересадке клонированных органов не возникает реакции отторжения и возможных последствий (например, рака, развивающегося на фоне иммунодефицита). Клонированные органы — это спасение для людей, попавших в автомобильные аварии или иные катастрофы, а также нуждающихся в радикальной помощи из-за каких-либо заболеваний.

Клонирование может дать возможность бездетным людям иметь своих собственных детей, поможет людям, страдающим тяжелыми генетическими заболеваниями. Так, если гены, определяющие какую-либо подобную болезнь, содержатся в хромосомах отца, то в яйцеклетку матери пересаживается ядро ее собственной соматической клетки, тогда появится ребенок, лишенный опасных генов, точная копия матери. Если эти гены со­ержатся в хромосомах матери, то в ее яйцеклетку будет перемещено ядро соматической клетки отца — появится здоровый ребенок, копия отца.

Более скромная, но не менее важная задача клонирования — регуляция пола сельскохозяйственных животных, а также клонирование в них человеческих генов «терапевтических белков», которые используются для лечения людей, например, гемофиликов, у которых мутировал ген, кодирующий белок, участвующий в процессе свертывания крови. Это тем более важно, поскольку гемофилики считаются «группой риска» по СПИДу.

1. Введение.

2. Возможности генной инженерии.

2.1. Медицина. 3

2.2. Генотерапия. 5

2.3. Сельское хозяйство. 6

3. Клонирование. 7

4. Проблемы генной инженерии. 8

5. Заключение. 13

Список используемой литературы. 15

1. Введение.

Генная инженерия — это метод биотехнологии, который занимается исследованиями по перестройке генотипов. Генотип является не просто механическая сумма генов, а сложная, сложившаяся в процессе эволюции организмов система. Генная инженерия позволяет путем операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов дает возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим.

Носителями материальных основ генов служат хромосомы, в состав которых входят ДНК и белки. Но гены образования не химические, а функциональные. С функциональной точки зрения ДНК состоит из множества блоков, хранящих определенный объем информации — генов. Ген — участок молекулы ДНК, в котором находится информация о первичной структуре какого-либо одного белка (один ген — один белок). Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов. Совокупность всех генов клетки составляет ее геном. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Поэтому, например, нервные клетки и по структурно-функциональным, и по биологическим особенностям отличаются от клеток печени.

Перестройка генотипов, при выполнении задач генной инженерии, представляет собой качественные изменения генов не связанные с видимыми в микроскопе изменениями строения хромосом. Сущность методов генной инженерии заключается в том, что в генотип организма встраиваются или исключаются из него отдельные гены или группы генов. В результате встраивания в генотип ранее отсутствующего гена можно заставить клетку синтезировать белки, которые ранее она не синтезировала.

Наиболее распространенным методом генной инженерии является метод получения рекомбинантных, т.е. содержащих чужеродный ген, плазмид. Плазмиды представляют собой кольцевые двухцепочные молекулы ДНК, состоящие из нескольких тысяч пар нуклеотидов. Весь этот процесс называется клонированием. С помощью клонирования можно получить более миллиона копий любого фрагмента ДНК человека или другого организма. Кроме того, клонированный фрагмент ДНК одного организма можно ввести в клетки другого организма. Этим можно добиться, например, высокие и устойчивые урожаи благодаря введенному гену, обеспечивающему устойчивость к ряду болезней. При дальнейшем развитии науки станет возможным введение в зародыш человека недостающих генов, и тем самым позволит избежать генетических болезней.

Еще с 80-х годов появились программы по изучению генома человека. В процессе выполнения этих программ уже прочитано около 5 тысяч генов (полный геном человека содержит 50-100 тысяч). Обнаружен ряд новых генов человека. Генная инженерия приобретает все большее значение в генотерапии. Потому, что многие болезни заложены на генетическом уровне. Именно в геноме заложена предрасположенность ко многим болезням или стойкость к ним

2. Возможности генной инженерии.

2.1. Медицина .

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

Использование генно-инженерных продуктов в медицине:

· Антикоагуляторы — Активатор тканевого плазминогена (АТП), активирует плазмин. Фермент, вовлечённый в рассасывание тромбов; эффективен при лечении больных инфарктом миокарда;

· Факторы крови-Фактор VIII ускоряет образование сгустков; дефицитен у гемофиликов. Использование фактора VIII, полученного генно-инженерными методами, устраняет риск, связанный с переливанием крови.

· Факторы, стимулирующие образование колоний-Ростовые факторы иммунной системы, которые стимулируют образование лейкоцитов. Применяют для лечения иммунодефицита и борьбе с инфекциями.

· эритропоэтин-Стимулирует образование эритроцитов. Применяют для лечения анемии у больных с почечной недостаточностью.

· Ростовые факторы-Стимулируют дифференциацию и рост различных типов клеток. Применяют для ускорения лечения ран.

· Гормон роста человека-Применяют при лечении карликовости.

· Человеческий инсулин-Используется для лечения диабета

· Интерферон-Препятствует размножению вирусов. Также используется для лечения некоторых форм раковых заболеваний.

· Лейксины -Активируют и стимулируют работу различных типов лейкоцитов. Возможно применение при залечивании ран, при заражении ВИЧ, раковых заболеваний, иммунодефиците.

· Моноклональные антитела-Высочайшая специфичность, связанная с антителами используется в диагностических целях. Применяют также для адресной доставки лекарств, токсинов, радиоактивных и изотопных соединений к раковым опухолям при терапии раков, имеется много других сфер применения.

· Супероксид дисмутаз-Предотвращает поражение тканей реактивными оксипроизводными в условиях кратковременной нехватки кислорода, особенно в ходе хирургических операций, когда нужно внезапно восстановить ток крови.

· Вакцины -Искусственно полученные вакцины (первой была получена вакцина против гепатита В) по многим показателям лучше обычных вакцин. Принцип применения ДНК-вакцин заключается в том, что в организм пациента вводят молекулу ДНК, содержащую гены, кодирующие иммуногенные белки патогенного микроорганизма. ДНК-вакцины называют еще генными, генетическими, полинуклеотидными вакцинами, вакцинами из нуклеиновых кислот.

В настоящее время фармацевтическая промышленность завоевала лидирующие позиции в мире. Уже несколько сот тысяч высококвалифицированных специалистов заняты в исследовательских и промышленных секторах фарминдустрии, и именно в этих областях интерес к геномным и генно-инженерным исследованиям исключительно высок.

2.2. Генотерапия

Технологии генодиагностики и генотерапии базируются на мировых достижениях в расшифровке генома человека. Технологии генодиагностики включают разработку приемов точной локализации генов в геноме человека, ответственных за наследственные и соматические заболевания. Их важной составляющей является сравнительный анализ структуры генома в норме и патологии.

Генотерапия и генодиагностика — это перспективные технологии фундаментальной и прикладной биомедицины, направленные на лечение и профилактику наследственных (генетических) и приобретенных заболеваний, в том числе онкологических.

В основе генотерапии, развивающейся на базе и в комплексе с генодиагностикой, лежит контролируемое изменение генетического материала клеток, приводящее к «исправлению» не только наследственных, но и, как стало ясно в последнее время, приобретенных генетических дефектов живого организма.

Важнейшей технологической задачей генотерапии является разработка системы переноса или адресной доставки корректирующего генетического материала к клеткам-мишеням в организме больного, несущего в своем геноме дефектный ген. Предлагаемые технологии характеризуются точностью выявления гена, ответственного за генетический дефект и выбора системы переноса корректирующих генов, адресностью доставки в организм больного генетического материала, исправляющего генетический дефект.

2.3. Сельское хозяйство .

Поэтому любой прогресс биотехнологий растений будет зависеть от разработки генетических систем и инструментов, которые позволят более эффективно управлять трансгенами. Будущее, очевидно, будет за управляемым переносом генов от сорта к сорту, основанного на применении предварительно подготовленного растительного материала, который уже содержит в нужных хромосомах участки гомологии, необходимого для гомологичного встраивания трансгена. Кроме этого учёные занимаются поиском генов, кодирующих новые полезные признаки.

Еще 10 лет тому назад биотехнология растений заметно отставала в своем развитии, но за последние годы наблюдается быстрый выброс на рынок трансгенных растений с новыми полезными признаками. Генетические изменённые растения с устойчивостью к различным классам гербицидов в настоящее время являются наиболее успешным биотехнологическим продуктом.

Современная биотехнология в состоянии манипулировать многими важнейшими признаками, которые можно разделить на три группы:

· Сельскохозяйственные производства. К ним можно отнести общей продуктивности растений за счет регулирования синтеза фитогормонов или дополнительного снабжения кислородом растительных клеток, а также признаки, обеспечивающие устойчивость к разного рода вредителям, кроме этого в создании форм растений с мужской стерильностью и возможностью дольше сберегать урожай.

· К признакам, которые влияют на качество продукции, относится возможность манипулировать молекулярным весом жирных кислот. Растения будут производить биодеградирующий пластик, по цене сопоставимой с полиэтиленом, получаемым из нефти. Открылась возможность получения крахмала с заданными физико-химическими свойствами. Аминокислотный состав у растений запасных белков становится более сбалансированным и легко усвояем для млекопитающих. Растения становятся продуцентами вакцин, фармакологических белков и антител, что позволяет удешевить увеличение разных заболеваний, в том числе и онкологических. Получены и испытываются трансгенные растения хлопка с уже окрашенным волокном, более высоким качеством.

3. Клонирование

Клонирование органов и тканей — это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и в других областях медицины и биологии. При пересадке клонированного органа не надо думать о подавлении реакции отторжения и возможных последствиях в виде рака, развившегося на фоне иммунодефицита. Клонированные органы станут спасением для людей, попавших в автомобильные аварии или какие-нибудь иные катастрофы, или для людей, которым нужна радикальная помощь из-за заболеваний пожилого возраста (изношенное сердце, больная печень и т.д.).

Введение в генетическую инженерию

История генной инженерии

Генная инженерия появилась благодаря работам многих исследователей в разных отраслях биохимии и молекулярной генетики. На протяжении многих лет главным классом макромолекул считали белки. Существовало даже предположение, что гены имеют белковую природу. Лишь в 1944 году Эйвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что носителем наследственной информации является ДНК. С этого времени начинается интенсивное изучение нуклеиновых кислот. Спустя десятилетие, в 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали двуспиральную модель ДНК. Именно этот год принято считать годом рождения молекулярной биологии.

На рубеже 50 — 60-х годов были выяснены свойства генетического кода, а к концу 60-х годов его универсальность была подтверждена экспериментально. Шло интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой стали E. coli, ее вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов.

ДНК вирусов и плазмид вводили в клетки в биологически активной форме, обеспечивая ее репликацию и экспрессию соответствующих генов. В 70-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК. Особая роль в развитии методов генной инженерии принадлежит рестриктазам и ДНК-лигазам.

Историю развития генетической инженерии можно условно разделить на три этапа.

Первый этап связан с доказательством принципиальной возможности получения рекомбинантных молекул ДНК in vitro. Эти работы касаются получения гибридов между различными плазмидами. Была доказана возможность создания рекомбинантных молекул с использованием исходных молекул ДНК из различных видов и штаммов бактерий, их жизнеспособность, стабильность и функционирование.

Второй этап связан с началом работ по получению рекомбинантных молекул ДНК между хромосомными генами прокариот и различными плазмидами, доказательством их стабильности и жизнеспособности.

Третий этап — начало работ по включению в векторные молекулы ДНК (ДНК, используемые для переноса генов и способные встраиваться в генетический аппарат клетки-рецепиента) генов эукариот, главным образом, животных.

Формально датой рождения генетической инженерии следует считать 1972 год, когда в Стенфордском университете П. Берг, С. Коэн, Х. Бойер с сотрудниками создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага и E. coli.

Читать дальше ► ферменты для манипуляций с ДНК и РНК

Добавить комментарий

Закрыть меню