Биотехнология. Генетическая и клеточная инженерия.Генетическая инженерия

Основные направления и достижения биотехнологии. Биотехнология - это совокупность промышленных методов, применяемых для производства различных веществ с использованием живых организмов, биологических процессов или явлений. Биотехнологические процессы, основанные на жизнедеятельности микроорганизмов, человек разработала много тысяч лет назад для выпечки хлеба, изготовление сыра и других молочных продуктов, виноделия, пивоварения и т.п., однако сам термин «биотехнология» (от греч. Биос - жизнь, Технос - искусство, мастерство и логос - слово, учение) ввели только в 70-е годы XX столетия. В наше время в микробиологической промышленности различные виды бактерий и микроскопических грибов используют для производства антибиотиков (пенициллина, стрептомицина, эритромицина и др.), витаминов, гормонов, ферментов, кормовых белков и др.. Совершенствуются биотехнологические процессы и в пищевой промышленности, где применение высокопроизводительных штаммов микроорганизмов и совершенствования технологии позволяет увеличения выпуска пищевых изделий (кисломолочных продуктов, сыров, пива и др.) и кормов (силос, кормовые дрожжи и др.). Повышенного качества. 

Биотехнологические процессы применяют для очистки окружающей среды от бытовых и промышленных загрязнений, в частности сточных вод. Методы биологической очистки основаны на способности некоторых видов бактерий как в аэробных, так и в анаэробных условиях разлагать органические соединения, попадающие в водоемы, почву и т.д.. Для ускорения этих реакций используют высокоактивные штаммы бактерий, выведенные в результате селекции. Они раскладывают такие органические соединения, которые могут минерализовать естественные бактерии. Для очистки сточных вод и водоемов используют также способность ряда организмов накапливать органические или неорганические соединения или определенные химические элементы в своих клетках (некоторые группы бактерий, водорослей, простейших).

Биотехнологические процессы применяют и при разработке биологических методов борьбы с вредителями сельского и лесного хозяйств, кровососущих и паразитическими животными подобное. В частности, используя штаммы некоторых видов микроорганизмов (вирусов, бактерий, грибов), изготавливают препараты, которые эффективно снижают численность вредных видов, не загрязняя окружающую среду токсичными химическими соединениями. Необходимым условием использования биологических препаратов (биопрепаратов) является их безопасность для безвредных видов организмов. В последнее время в разработке биотехнологических процессов все шире используют методы генетической и клеточной инженерии, что дает возможность получать различные соединения и препараты: защитные белки-интерфероны, гормоны (инсулин, гормон роста и другие), вакцины против вирусных заболеваний (инфекционного гепатита В, ящура, аденовирусов и др.).

Генетическая (генная) инженерия - это прикладная отрасль молекулярной генетики и биохимии, которая разрабатывает методы перестройки геномов организмов удалением или введением отдельных генов или их групп: синтез генов вне организма; выделения из клеток и перестройку отдельных генов или их частей; копирование и размножение выделенных или синтезированных генов; введения генов или их групп в геном других организмов; экспериментальное сочетание разных геномов в одной клетке.

Объектами исследований этой области являются преимущественно прокариоты, хотя ученые работают и с генами эукариот. Так, продолжаются эксперименты с переносом генов эукариот в клетки бактерий. В геном бактерий были введены гены, кодирующие инсулин крысы и человека, гены рРНК дрозофилы и лягушки подобное. Встроенные гены нормально считываются в клетке бактерии, благодаря чему она синтезирует соответствующие соединения (гормон инсулин, рРНК). Подобные методы применяются в биотехнологии. Например, в клетках бактерии - кишечной палочки - синтезирован инсулин, необходимый в лечении сахарного диабета. Методами генетической инженерии получены белки-интерфероны, которые защищают организм человека и животных от вирусных заболеваний (прекращают размножение вирусов), гормон роста, что дает возможность лечить некоторые формы карликовости. Перечень медицинских препаратов, произведенных с помощью методов генетической инженерии, ежегодно растет.

Синтез генов вне организма впервые осуществил в 1969 году в США индийский ученый Г. Хоран (ген аланиновои тРНК дрожжей, который состоит из 77 пар нуклеотидов). Впоследствии исследователю удалось синтезировать функционально активные гены бактериофагов. Но искусственный синтез генов - достаточно сложный процесс, особенно если они состоят из большого числа нуклеотидов. Поэтому гены проще выделять из генома организмов. Например, в 1969 году впервые удалось с помощью бактериофагов выделить в чистом виде гены кишечной палочки.

Как переносчиков синтезированных или выделенных генов, кроме вирусов, использующих плазмиды (полученные главным образом из бактерий). Плазмиды - позахромо-сомни факторы наследственности, генетические элементы, способные существовать в клетке в состоянии, не связанном с хромосомами. Они (например, генетический аппарат митохонд-рий, хлоропластов) чаще всего представляют собой кольцевые двохцепные молекулы ДНК. 

Одну из возможных схем переноса определенного гена в клетки бактерии приведены на мал.98. Из клеток, содержащих в своем геноме определенный ген, выделяют иРНК, на которой, как на матрице, синтезируют нить комплементарной ДНК. Вследствие этого возникает ДНК-РНК-комплекс, из которого извлекается иРНК, а на нити ДНК, оставшаяся синтезируют по принципу комплементарности вторую нитку. Созданную таким образом молекулу ДНК встраивают в кольцевую молекулу ДНК плазмиды, которая служит переносчиком. Другим способом является дробление молекулы ДНК, подлежащего переносу, с последующим сообщением образованных фрагментов с молекулой ДНК переносчика, которую для этого переводят в линейную форму. Перенос метафазных хромосом из одной эукариотической клетки в другую - еще одно направление генной инженерии. Такие хромосомы обычно распадаются на фрагменты, одни из которых теряются, а другие встраиваются в хромосому клетки-хозяина и могут в них работать.

Перед генетической инженерией, несмотря на ее относительную молодость, открываются значительные перспективы. Помимо решения практических вопросов (повышение производительности штаммов микроорганизмов, перенос в клетки прокариот генов эукариот, которые отвечают за синтез важных соединений - витаминов, гормонов, ферментов и др.), в будущем генная инженерия будет способна решать более глобальные задачи. Среди них: удаление дефектных генов на наиболее ранних этапах онтогенеза и замена их нормальными аллелями; сочетание в одном геноме генов различных организмов подобное. Например, перспективным является направление, связанное с переносом генов, определяющих способность к фиксации атмосферного азота, из клеток клубеньковых бактерий в клетки высших растений. Решение этой проблемы способствовало бы экономии средств, расходуемых на производство и внесение азотных удобрений. 

Результаты исследований генетической инженерии имеют исключительно важное значение и для теоретической биологии. Благодаря им сделаны важные открытия относительно тонкого строения генов, их функционирования, структуры геномов различных организмов. Для дальнейшего развития генетической инженерии необходимо создание банков генов - коллекций генов различных организмов - объектов генетических исследований, которые встроены в плазмиды и другие переносчики и сохраняются при низких температурах.

Следует отметить, что работа с геномами высших организмов, кроме технических трудностей, связана и с проблемами этического плана. Вмешательство в генотип позвоночных животных, особенно человека, даже с лучшими намерениями, может привести к непредсказуемым последствиям.

Клеточная (тканевая) инженерия - отрасль биотехнологии, в который применяют методы выделения клеток из организма и переноса их на искусственные питательные среды, где эти клетки продолжают жить и размножаться. Кроме того, клеточная инженерия занимается соединением соматических клеток разных видов, родов, семейств и порядков (рядов) организмов, благодаря чему удается скрещивать организмы, гибридизация которых половым путем невозможна.

Благодаря выделению соматических клеток из организма и переносу их на питательные среды можно создать культуру клеток (тканей) для получения ценных веществ, что значительно уменьшит себестоимость препаратов (например, препараты лекарственного растения-женьшеня). Поскольку соматические клетки содержат всю наследственную информацию, присущую особи, есть возможность выращивать из них значительное количество потомков с идентичными наследственными свойствами.

Перспективным направлением клеточной инженерии является клонирование организмов. Клоном (от греч. Клон - ветвь, отпрыск) называют совокупность клеток или особей, возникших от общего предка неполовым путем. Клон состоит из генетически однородного материала. Методика клонирования животных такая. С незагилидненои яйцеклетки удаляют ядро ??и пересаживают в нее ядро ??соматической клетки другой особи. Такую искусственную зиготу пересаживают в матку самки, где развивается эмбрион. Эта методика дает возможность получать от ценных по своим качествам производителей неограниченное количество потомков, которые являются их точной генетической копией. Методом клонирования из отдельных гибридных соматических клеток выращивают и организмы растений. 

Еще одним перспективным направлением исследований клеточной инженерии является гибридизация соматических клеток. Этим методом удается соединить в одну несколько предварительно обработанных соматических клеток, принадлежащих удаленным в систематическом отношении организмам (человека и мыши, человека и шпорцевых лягушки, человека и комара, человека и моркови, мыши и курицы, курицы и дрожжей и др.). Следует отметить, что гибридные клетки от организмов, далеких в систематическом отношении, часто отличаются тем, что их ядра не сливаются, а существуют отдельно. Такие клетки способны к делению, но могут существовать длительное время на питательной среде. 

Гибридизация соматических клеток позволяет создавать препараты, которые повышают устойчивость организма против различных инфекций, а также дают возможность лечить раковые заболевания. Так, гибридизацией клеток, способных вырабатывать определенные антитела, с раковыми получены гибридные клетки. Самые из этих клеток переносили на питательные среды и выращивали клоны, которые производили эти антитела.

Искусственные изменения организмов возможны также в ходе их зародышевого развития (эмбриональная инженерия). Вы уже знаете о явлении эмбриональной индукции (взаимовлияние частей зародыша во время развития). В частности, пересадкой организаторов (частей зародыша, способных влиять на развитие других) можно изменять развитие определенных частей зародыша в направлении, которое интересует исследователей.

ВЫВОДЫ

Использование живых организмов и биологических процессов для промышленного получения различных практически важных веществ относится к особой области, которую называют биотехнологией. В последнее время в разработке биотехнологических процессов все чаще используют результаты исследований генетической и клеточной инженерии.
Генетическая инженерия
- это прикладная отрасль молекулярной генетики, которая разрабатывает методы перестройки геномов организмов посредством изъятия или введения отдельных генов или их групп. Как переносчики синтезированных или выделенных генов используют вирусы (например, бактериофаги) или плазмиды (позахромосомные факторы наследственности). 

Клеточная инженерия - отрасль биотехнологии, в которой применяют методы выделения клеток из организма, содержание их на искусственных питательных средах, а также гибридизацией соматических клеток. Клонирование - это получение совокупности клеток или организмов от общего предка неполовым путем.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+