Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Генетична інженерія



План:


Введення

Нокаутние миші

Генетична інженерія (генна інженерія) - сукупність прийомів, методів і технологій отримання рекомбінантних РНК і ДНК, виділення генів з організму (клітин), здійснення маніпуляцій з генами і введення їх в інші організми.

Генетична інженерія не є наукою в широкому сенсі, але є інструментом біотехнології, використовуючи методи таких біологічних наук, як молекулярна і клітинна біологія, цитологія, генетика, мікробіологія, вірусологія.


1. Економічне значення

Генна інженерія служить для отримання бажаних якостей змінюваного або генетично модифікованого організму. На відміну від традиційної селекції, в ході якої генотип піддається змінам лише побічно, генна інженерія дозволяє безпосередньо втручатися в генетичний апарат, застосовуючи техніку молекулярного клонування. Прикладами застосування генної інженерії є одержання нових генетично модифікованих сортів зернових культур, виробництво людського інсуліну шляхом використання генномодифікованих бактерій, виробництво еритропоетину в культурі клітин або нових порід експериментальних мишей для наукових досліджень.

Жителі Кенії перевіряють, як росте новий трансгенний сорт кукурудзи, стійкий до комах-шкідників

Основою мікробіологічної, биосинтетической промисловості є бактеріальна клітина. Необхідні для промислового виробництва клітини підбираються за певними ознаками, найголовніший з яких - здатність виробляти, синтезувати, при цьому в максимально можливих кількостях, певне з'єднання - амінокислоту або антибіотик, стероїдний гормон або органічну кислоту. Іноді треба мати мікроорганізм, здатний, наприклад, використовувати як "їжі" нафта або стічні води і переробляти їх в біомасу або навіть цілком придатний для кормових добавок білок. Іноді потрібні організми, здатні розвиватися при підвищених температурах або в присутності речовин, безумовно смертельних для інших видів мікроорганізмів.

Завдання отримання таких промислових штамів дуже важлива, для їх видозміни і відбору розроблені численні прийоми активного впливу на клітину - від обробки сильно діючими отрутами, до радіоактивного опромінення. Мета цих прийомів одна - домогтися зміни спадкового, генетичного апарату клітини. Їх результат - отримання численних мікробів-мутантів, із сотень і тисяч яких учені потім намагаються відібрати найбільш підходящі для тієї чи іншої мети. Створення прийомів хімічного або радіаційного мутагенезу було видатним досягненням біології і широко застосовується в сучасній біотехнології.

Але їх можливості обмежуються природою самих мікроорганізмів. Вони не здатні синтезувати ряд цінних речовин, які накопичуються в рослинах, насамперед у лікарських і ефіроолійних. Не можуть синтезувати речовини, дуже важливі для життєдіяльності тварин і людини, ряд ферментів, пептидні гормони, імунні білки, інтерферони та й багато більш просто влаштовані сполуки, які синтезуються в організмах тварин і людини. Зрозуміло, можливості мікроорганізмів далеко не вичерпані. З усього достатку мікроорганізмів використана наукою, і особливо промисловістю, лише мізерна частка. Для цілей селекції мікроорганізмів великий інтерес представляють, наприклад, бактерії анаероби, здатні жити у відсутність кисню, фототрофи, що використовують енергію світла подібно до рослин, хемоавтотрофи, термофільні бактерії, здатні жити при температурі, як виявилося недавно, близько 110 C, та ін

І все ж обмеженість "природного матеріалу" очевидна. Обійти обмеження намагалися і намагаються за допомогою культур клітин і тканин рослин і тварин. Це дуже важливий і перспективний шлях, який також реалізується в біотехнології. За останні кілька десятиліть вчені створили методи, завдяки яким окремі клітини тканин рослини чи тварини можна змусити рости і розмножуватися окремо від організму, як клітини бактерій. Це було важливе досягнення - отримані культури клітин використовують для експериментів і для промислового одержання деяких речовин, які за допомогою бактеріальних культур отримати неможливо.


2. Історія розвитку і досягнутий рівень технології

У другій половині XX століття було зроблено кілька важливих відкриттів і винаходів, що лежать в основі генної інженерії. Успішно завершилися багаторічні спроби "прочитати" ту біологічну інформацію, яка "записана" у генах. Ця робота була розпочата англійським вченим Ф. Сенгером і американським ученим У. Гілбертом ( Нобелівська премія з хімії 1980 р.). Як відомо, в генах міститься інформація-інструкція для синтезу в організмі молекул РНК і білків, у тому числі ферментів. Щоб змусити клітину синтезувати нові, незвичні для неї речовини, треба щоб в ній синтезувалися відповідні набори ферментів. А для цього необхідно або цілеспрямовано змінити знаходяться в ній гени, або ввести в неї нові, раніше були відсутні гени. Зміни генів у живих клітинах - це мутації. Вони відбуваються під дією, наприклад, мутагенів - хімічних отрут або випромінювань. Але такі зміни не можна контролювати або спрямовувати. Тому вчені зосередили зусилля на спробах розробити методи введення в клітину нових, цілком певних генів, потрібних людині.

Основні етапи рішення геноінженерний завдання наступні:

1. Отримання ізольованого гена.
2. Введення гена в вектор для перенесення в організм.
3. Перенесення вектора з геном в модифікується організм.
4. Перетворення клітин організму.
5. Відбір генетично модифікованих організмів (ГМО) і усунення тих, які не були успішно модифіковані.

Процес синтезу генів в даний час розроблений дуже добре і навіть в значній мірі автоматизований. Існують спеціальні апарати, забезпечені ЕОМ, в пам'яті яких закладають програми синтезу різних нуклеотидних послідовностей. Такий апарат синтезує відрізки ДНК довжиною до 100-120 азотистих основ (олігонуклеотиди). Набула поширення техніка, що дозволяє використовувати для синтезу ДНК, у тому числі мутантної, полімеразну ланцюгову реакцію. Термостабільний фермент, ДНК-полімераза, використовується в ній для матричного синтезу ДНК, як затравки якого застосовують штучно синтезовані шматочки нуклеїнової кислоти - олігонуклеотиди. Фермент зворотній транскриптаза дозволяє з використанням таких затравок (праймерів) синтезувати ДНК на матриці виділеної з клітин РНК. Синтезована таким способом ДНК називається комплементарної (РНК) або кДНК. Ізольований, "хімічно чистий" ген може бути також отриманий з фагової бібліотеки. Так називається препарат бактеріофага, в геном якого вбудовані випадкові фрагменти з генома або кДНК, що відтворюються фагом разом з усією своєю ДНК.

Щоб вбудувати ген в вектор, використовують ферменти - рестріктази і лігази, що також є корисним інструментом генної інженерії. За допомогою рестриктаз ген і вектор можна розрізати на шматочки. За допомогою лігази такі шматочки можна "склеювати", з'єднувати в іншій комбінації, конструюючи новий ген або укладаючи його в вектор. За відкриття рестриктаз Вернер Арбер, Даніел Натанс і Хамілтон Сміт також були удостоєні Нобелівської премії (1978 р.).

Техніка введення генів у бактерії була розроблена після того, як Фредерік Гріффіт відкрив явище бактеріальної трансформації. В основі цього явища лежить примітивний статевий процес, який у бактерій супроводжується обміном невеликими фрагментами нехромосомной ДНК, плазмідами. Плазмідні технології лягли в основу введення штучних генів в бактеріальні клітини.

Значні труднощі були пов'язані з введенням готового гена у спадковий апарат клітин рослин і тварин. Проте в природі спостерігаються випадки, коли чужорідна ДНК (вірусу або бактеріофага) включається в генетичний апарат клітини і за допомогою її обмінних механізмів починає синтезувати "свій" білок. Вчені досліджували особливості впровадження чужорідної ДНК і використовували як принцип введення генетичного матеріалу в клітину. Такий процес отримав назву трансфекція.

Якщо модифікації піддаються одноклітинні організми або культури клітин багатоклітинних, то на цьому етапі починається клонування, тобто відбір тих організмів і їхніх нащадків (клонів), які зазнали модифікації. Коли ж поставлено завдання отримати багатоклітинні організми, то клітини зі зміненим генотипом використовують для вегетативного розмноження рослин або вводять в бластоцисти сурогатної матері, коли мова йде про тварин. В результаті народжуються дитинчата з зміненим або незмінним генотипом, серед яких відбирають і схрещують між собою тільки ті, які виявляють очікувані зміни.


3. Застосування в наукових дослідженнях

Нокаут гена. Для вивчення функції того чи іншого гена може бути застосований нокаут гена (gene knockout). Так називається техніка видалення одного або більшої кількості генів, що дозволяє досліджувати наслідки подібної мутації. Для нокауту синтезують такий же ген або його фрагмент, змінений так, щоб продукт гена втратив свою функцію. Для отримання нокаутних мишей отриману генно-інженерну конструкцію вводять в ембріональні стовбурові клітини, де конструкція піддається соматичної рекомбінації і заміщає стандартний ген, а змінені клітини імплантують в бластоцисту сурогатної матері. У плодової мушки дрозофіли мутації ініціюють в великій популяції, в якій потім шукають потомство з потрібною мутацією. Подібним способом отримують нокаут у рослин і мікроорганізмів.

Штучна експресія. Логічним доповненням нокауту є штучна експресія, тобто додавання в організм гена, якого в нього раніше не було. Цей спосіб генної інженерії також можна використовувати для дослідження функції генів. По суті процес введення додаткових генів такий же, як і при нокауті, але існуючі гени не заміщаються і не пошкоджуються.

Схема будови зеленого флуоресцентного білка

Візуалізація продуктів генів. Використовується, коли завданням є вивчення локалізації продукту гена. Одним із способів мічення є заміщення нормального гена на злитий з репортерний елементом, наприклад, з геном зеленого флуоресцентного білка ( GFP). Цей білок, флуоресціюючий в блакитному світлі, використовується для візуалізації продукту генної модифікації. Хоча така техніка зручна і корисна, її побічними наслідками може бути часткова або повна втрата функції досліджуваного білка. Витонченішим, хоча і не таким зручним методом є додавання до досліджуваному білку не настільки великих олігопептидів, які можуть бути виявлені за допомогою специфічних антитіл.

Дослідження механізму експресії. У таких експериментах завданням є вивчення умов експресії гена. Особливості експресії залежать насамперед від невеликої ділянки ДНК, розташованого перед кодує областю, який називається промотор і служить для зв'язування факторів транскрипції. Ця ділянка вводять в організм, поставивши після нього замість власного гена репортерний, наприклад, GFP або ферменту, що каталізує легко виявляємо реакцію. Крім того, що функціонування промотора в тих чи інших тканинах в той чи інший момент стає добре помітним, такі експерименти дозволяють досліджувати структуру промотора, прибираючи або додаючи до нього фрагменти ДНК, а також штучно посилювати його функції.


4. Генна інженерія людини

У застосуванні до людини генна інженерія могла б застосовуватися для лікування спадкових хвороб. Однак, технічно, є істотна різниця між лікуванням самого пацієнта і зміною генома його нащадків.

Завдання зміни геному дорослої людини трохи складніше, ніж виведення нових генноінженерних порід тварин, оскільки в даному випадку потрібно змінити геном численних клітин вже сформованого організму, а не однієї лише яйцеклітини-зародка. Для цього пропонується використовувати вірусні частки в якості вектора. Вірусні частинки здатні проникати в значний відсоток клітин дорослої людини, вбудовуючи в них свою спадкову інформацію, можливо контрольоване розмноження вірусних частинок в організмі. При цьому для зменшення побічних ефектів вчені намагаються уникати впровадження генноінженерних ДНК в клітини статевих органів, тим самим уникаючи впливу на майбутніх нащадків пацієнта. Також варто відзначити значну критику цієї технології в ЗМІ: розробка генноінженерних вірусів сприймається багатьма як загроза для всього людства.

За допомогою генотерапіі в майбутньому можлива зміна генома людини. В даний час ефективні методи зміни геному людини знаходяться на стадії розробки і випробувань на приматах. Довгий час генетична інженерія мавп стикалася з серйозними труднощами, проте в 2009 році експерименти увінчалися успіхом: у журналі Nature з'явилася публікація про успішне застосування генноінженерних вірусних векторів для зцілення дорослого самця мавпи від дальтонізму. [1] У цьому ж році дав потомство першою генетично модифікований примат (вирощений з модифікованої яйцеклітини) - ігрунка звичайна. [2]

Хоча і в невеликому масштабі, генна інженерія вже використовується для того, щоб дати шанс завагітніти жінкам з деякими різновидами безпліддя. [3] Для цього використовують яйцеклітини здорової жінки. Дитина в результаті успадковує генотип від одного батька і двох матерів.

Однак можливість внесення більш значних змін в геном людини стикається з низкою серйозних етичних проблем [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10].


Примітки

  1. Елементи - новини науки: Мавп вилікували від дальтонізму за допомогою генної терапії - elementy.ru/news/431142
  2. MEMBRANA | Світові новини | Трансгенні мавпи дали перше потомство - www.membrana.ru/lenta/?9343
  3. Genetically altered babies born - news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/1312708.stm. Бі-бі-сі (???). архіві - www.webcitation.org/618KWHYmf з першоджерела 22 серпня 2011.
  4. B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, 2008. "Molecular biology of the cell", 5th ed., Garland Science, USA, pp. 1302-1303
  5. Kimmelman J. (2009) "Ethics of cancer gene transfer clinical research", Methods in Molecular Biology 542, 423-445
  6. Wagner AM, Schoeberlein A, Surbek D. (2009) "Fetal gene therapy: opportunities and risks", Advanced Drug Delivery Reviews 61, 813-821
  7. Gatzidou E, Gatzidou G, Theocharis SE. (2009) "Genetically transformed world records: a reality or in the sphere of fantasy?", Medical Science Monitor 15, RA41-47
  8. Lowenstein PR. (2008) "Clinical trials in gene therapy: ethics of informed consent and the future of experimental medicine", Current Opinion in Molecular Therapy 10, 428-430
  9. Jin X, Yang YD, Li YM. (2008) "Gene therapy: regulations, ethics and its practicalities in liver disease", World Journal of Gastroenterology 14, 2303-2307
  10. Harridge SD, Velloso CP. (2008) "Gene doping", Essays in Biochemistry 44, 125-138

Література

  • Сінгер М., Берг П. Гени і геноми. - Москва, 1998.
  • Стент Р., Келіндар Р. Молекулярна генетика. - Москва, 1981.
  • Sambrook J., Fritsch EF, Maniatis T. Molecular Cloning. - 1989.
  • Патрушев Л. І. Штучні генетичні системи. - М.: Наука, 2004. - ISBN 5-02-032893-6
  • Щелкунов С. Н. Генетична інженерія. - К.: Сиб. універ. вид-во, 2008. - ISBN 5-379-00335-4, ISBN 978-5-379-00335-7

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Генетична інформація
Генетична різноманітність
Генетична генеалогія
Генетична класифікація мов
Генетична історія Італії
Будівельна інженерія
Промислова інженерія
Інженерія знань
Соціальна інженерія
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru