Государственное образовательное учреждение Высшего

профессионального образования

ВлГУ

Кафедра истории и религиоведения

Реферат

на тему:

Генная и клеточная инженерия. Биотехнологии.

Выполнила: Шипилова Е.В. Гр.ЗЮ-110

Проверила: доцент кафедры истории и

религиоведения Зубков С.А.

Владимир 2011

1. Введение 3

2.Возможности генной инженерии. Биотехнологии 5

3.1. Сельское хозяйство 9

3.2 Медицина и фармацевтика 11

4. Клонирование 14

4.1 Состояние исследований по терапевтическому

клонированию в России 16

5. Проблемы 17

6. Заключение 23

Список литературы 25

1. Введение

Генная инженерия - направление исследований в молекулярной биологии и генетике, конечной целью которых является получение с помощью лабораторных приемов организмов с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств. В основе генной инженерии лежит обусловленная последними достижениями молекулярной биологии и генетики возможность целенаправленного манипулирования с фрагментами нуклеиновых кислот. К этим достижениям следует отнести установление универсальности генетического кода, то есть факта, что у всех живых организмов включение одних и тех же аминокислот в белковую молекулу кодируются одними и теми же последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК; успехи генетической энзимологии, предоставившей в распоряжение исследователя набор ферментов, позволяющих получить в изолированном виде отдельные гены или фрагменты нуклеиновой кислоты, осуществлять in vitro синтез фрагментов нуклеиновых кислот, объединить в единое целое полученные фрагменты. Таким образом, изменение наследственных свойств организма с помощью генной инженерии сводится к конструированию из различных фрагментов нового генетического материала, введение этого материала в рецепиентный организм, создания условий для его функционирования и стабильного наследования.

Генная инженерия возникла в нач. 70-х гг. 20 в. Генетическая инженерия основана на извлечении из клеток какого-либо организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов и соединении их со специальными молекулами ДНК (т. н. векторами), способными проникать в клетки другого организма (главным образом микроорганизмов) и размножаться в них, т.е. создание молекул рекомбинантных ДНК.

Рекомбинантные (чужеродные) ДНК привносят в реципиентный организм новые генетические и физико-биохимические свойства. К числу таких свойств можно отнести синтез аминокислот и белков, гормонов, ферментов, витаминов и др.

Применение методов генетической инженерии открывает перспективу изменения ряда свойств организма: повышение продуктивности, резистентности к заболеваниям, увеличение скорости роста, улучшения качества продукции и др. Животных, несущих в своем геноме рекомбинантный (чужеродный) ген, принято называть трансгенными, а ген, интегрированный в геном реципиента, – трансгеном. Благодаря переносу генов у трансгенных животных возникают новые качества, а дальнейшая селекция позволяет закрепить их в потомстве и создать трансгенные линии.

Методы генетической инженерии позволяют создавать новые генотипы растений быстрее, чем классические методы селекции и появляется возможность целенаправленного изменения генотипа – трансформации.

Генетическая трансформация заключается главным образом в переносе чужеродных или модифицированных генов в эукариотические клетки. В клетках растений возможна экспрессия генов, перенесенных не только от других растений, но и от микроорганизмов и даже животных.

Получение растений с новыми свойствами из трансформированных клеток (регенерация) возможно благодаря их свойству топитотентности, т.е. способность отдельных клеток в процессе реализации генетической информации к развитию в целый организм.

2. Возможности генной инженерии. Биотехнологии.

В настоящее время фармацевтическая промышленность завоевала лидирующие позиции в мире, что нашло отражение не только в объёмах промышленного производства, но и в финансовых средствах, вкладываемых в эту промышленность (по оценкам экономистов, она вошла в лидирующую группу по объёму купли-продажи акций на рынках ценных бумаг). Важной новинкой стало и то, что фармацевтические компании включили в свою сферу выведение новых сортов сельскохозяйственных растений и животных, и тратят на это десятки миллионов долларов в год, они же мобилизировали выпуск химических веществ для быта. Добавок к продукции строительной индустрии и так далее. Уже не десятки тысяч, а возможно, 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.

Очевидно поэтому любой прогресс биотехнологий растений будет зависеть от разработки генетических систем и инструментов, которые позволят более эффективно управлять трансгенами. Ситуация аналогична той, которая наблюдается в компьютерной индустрии, где помимо увеличения объёмов обрабатываемой информации и улучшения самих компьютеров, нужны ещё и операционные системы управления информацией, типа микрософтовских “окон”.

Для чистого вырезания трансгенного ДНК в растительный геном, всё больше применяют заимствованные из микробной генетики системы гомологичной рекомбинации, такие как системы Cre-lox и Flp-frt. 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 трангена. Помимо интегративных систем экспрессии, будут опробованы автономно реплицирующиеся векторы.осбый интерес представляют искуственные хромосомы растений, которые теоретически не накладывают никаких ограничений на объём вносимой теоретической информации.

Учёные занимаются поиском генов, кодирующих новые полезные признаки. Ситуация в этой области меняется радикальным образом, прежде всего, существованию публичных баз данных, которые содержат информацию о большинстве генов, бактерий, дрожжей, человека и растений, а также вследствие разработки методов, позволяющих одновременно анализировать экспрессию большого количества генов с очень высокой пропускной способностью. Применяемые на практике методы можно разделить на две категории:

1. Методы, позволяющие вести экспрессионное профилирование: субстракционная гибридизация, электронное сравнение EST-библиотек, «генные чипы» и так далее. Они позволяют устанавливать корреляцию между тем или иным фенотипическим признаком и активностью конкретных генов. 2. Позиционное клонирование, заключается в создании за счет инсерционного мутагенеза мутантов с нарушениями в интересующем нас признаке или свойстве, с последующим клонированием соответствующего гена как такового, который заведомо содержит известную последовательность (инсерция). Вышеназванные методы не предполагают никаких изначальных сведений о генах, контролирующих тот или иной признак. Отсутствие рационального компонента в данном случае является положительным обстоятельством, поскольку не ограничен нашими сегодняшними представлениями о природе и генном контроле конкретного интересующего нас признака.

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

Использование генно-инженерных продуктов в медицине.

	Природные продукты и сфера применения генно-инженерных продуктов
Антикоагуля-торы	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 залечиваний ран, при заражении ВИЧ, раковых заболеваний,
Моноклональ- ные 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.
	Искуственно полученные вакцины (первой была получена вакцина против гепатита В) по многим показателям лучше обычных вакцин.

На технологии рекомбинантных ДНК основано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью которых изучают экспрессию генов в тканях, локализацию генов в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (например, у человека и курицы). ДНК-зонды также используются в диагностике различных заболеваний.

Технология рекомбинантных ДНК сделала возможным нетрадиционный подход «белок-ген», получивший название «обратная генетика». При таком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный ген, кодирующий измененную форму белка. Полученный ген вводят в клетку. Если он экспрессируется, несущая его клетка и ее потомки будут синтезировать измененный белок. Таким образом можно исправлять дефектные гены и лечить наследственные заболевания.

Если гибридную ДНК ввести в оплодотворенное яйцеклетку, могут быть получены трансгенные организмы, экспрессирующие мутантный ген и передающие его потомками. Генетическая трансформация животных позволяет установить роль отдельных генов и их белковых продуктов как в регуляции активности других генов, так и при различных патологических процессах. С помощью генетической инженерии созданы линии животных, устойчивых к вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными для человека признаками. Например, микроинъекция рекомбинантной ДНК, содержавшей ген соматотропина быка в зиготу кролика позволила получить трансгенное животное с гиперпродукцией этого гормона. Полученные животные обладали ярко выраженной акромегалией.

3. Направления генной инженерии.

3. 1 Сельское хозяйство.

Генная инженерия непосредственно в сельском хозяйстве имела место быть уже в конце 1980-х годов, когда удалось успешно внедрить новые гены в десятки видов растений и животных - создать растения табака со светящимися листьями, томаты, легко переносящие заморозки, кукурузу, устойчивую к воздействию пестицидов.

Одна из важных задач генной инженерии - получение растений, устойчивых к вирусам, так как в настоящее время не существует других способов борьбы с вирусными инфекциями сельскохозяйственных культур. Введение в растительные клетки генов белка оболочки вируса, делает растения устойчивыми к данному вирусу. В настоящее время получены трансгенные растения, способные противостоять воздействию более десятка различных вирусных инфекций.

Другая важная задача генетической инженерии связана с защитой растений от насекомых-вредителей. Применение инсектицидов не всегда является эффективным в связи с их токсичностью и возможностью смыва инсектицидов с растений дождевой водой. В генно-инженерных лабораториях Бельгии и США были успешно проведены работы по внедрению в растительную клетку генов земляной бактерии Bacillus thuringiensis, которые позволяют синтезировать инсектициды бактериального происхождения. Эти гены были введены в клетки картофеля, томатов и хлопчатника, вследствие чего трансгенные растения картофеля и томатов стали устойчивы к колорадскому жуку, растения хлопчатника оказались устойчивыми к разным насекомым, в том числе и к хлопковой совке. Применение генной инженерии в сельском хозяйстве позволило сократить использование инсектицидов на 40 - 60%. Генными инженерами были выведены трансгенные растения с удлиненным сроком созревания плодов. Это дает возможность снимать такие помидоры с куста красными с уверенностью, что они не перезреют при транспортировке.

Список растений, к которым успешно применены методы генной инженерии, пополняется. В него входят яблоня, виноград, слива, капуста, баклажаны, огурцы, пшеница, рис, соя, рожь и множество других сельскохозяйственных культур.

Одним из основных направлений, в котором применяются технологии генной инженерии, является сельское хозяйство. Классическим уже методом улучшения качества продуктов сельского хозяйства является селекция – процесс, в котором путем искусственного отбора выделяются и скрещиваются отдельные растения или животные, обладающие определенными свойствами, для наследственной передачи этих свойств и их усиления. Этот процесс достаточно продолжительный и не всегда действительно результативный. Генная инженерия обладает способностью наделить какой-то живой организм свойствами, ему нехарактерными, усилить проявление каких-то существующих свойств или исключить их. Это происходит за счет внедрения новых или исключения старых генов из ДНК организма.

К примеру, таким образом был выведен особый сорт картофеля, устойчивого к колорадскому жуку. Для этого в геном картофеля был введен ген почвенной тюрингской бациллы Bacillus thuringiensis, которая вырабатывает особый белок, губительный для колорадского жука, но безвредный для человека. Применение генной инженерии для изменения свойств растений, как правило, делается как раз для повышения их устойчивости перед вредителями, неблагоприятными условиями среды, улучшения их вкусовых и ростовых качеств. Вмешательство в геном животных используется для ускорения их роста и повышения продуктивности. В продуктах сельского хозяйства таким образом также искусственно повышается количество незаменимых аминокислот и витаминов, а также их питательная ценность.

Количество аргументов за использование ГМП значительно превосходит возможные аргументы против. Так, сторонники ГМП ссылаются в частности на высокий уровень контроля качества всех генетически модифицированных продуктов (ГМП). За двадцатилетнюю историю использования этих продуктов в разных странах мира не было выявлено ни одного факта их отрицательного воздействия на здоровье человека, что нельзя сказать о продуктах традиционного сельского хозяйства, в котором неизбежно применение разного рода удобрений, многие из которых признаны вредными для человека. Более того, селекция, которая используется в сельском хозяйстве на протяжении веков, по сути, преследует целью ту же генную модификацию организмов, только осуществляет это за значительно больший период времени. Генная инженерия просто способна привнести необходимые изменения в организм за короткий срок, а потому использование ГМП не опаснее, чем использование любых других продуктов, выведенных методом классической селекции.

Противники использования генной инженерии в сельском хозяйстве апеллируют к недостаточности исследований безопасности ГМП (однако этот вопрос постоянно продолжает исследоваться), а также к тому факту, что ГМО иногда становятся причиной исчезновения отдельных видов. К примеру, одичавшие генетически модифицированные организмы могут вытеснить популяции диких видов за счет большей приспособленности к неблагоприятным условиям окружающей среды.

3.2. Фармацевтика и медицина.

Производство и применение вакцин против вирусных заболеваний позволили медиками ликвидировать полностью эпидемии чумы и оспы, от которых раньше умирали миллионы людей. Метод генной инженерии, в отличие от других методов, позволяет получить абсолютно безвредную (не содержащую инфекционного начала) вакцину. Ведутся также работы по производству вакцин от гриппа, гепатита и других вирусных заболеваний человека.

Услугами генной инженерии особенно успешно пользуются фармацевты, для которых этот метод дает сравнительно дешевые, но жизненно необходимые гормоны, такие как инсулин, интерферон, гормоны роста и другие, имеющие белковую природу. По заказу фармацевтов генными инженерами налажено производство человеческого гормона инсулина (вместо ранее применяемого животного инсулина), играющего важную роль в борьбе с сахарным диабетом. Методом генной инженерии получают также достаточно дешевый и чистый человеческий интерферон - белок, обладающий универсальным антивирусным действием, антиген вируса гепатита В.

В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин. Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока. Для получения 100 г кристаллического инсулина требуется 800-1000 кг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200 - 250 грамм. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков. В 1978 году исследователи из компании «Генентек» впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки. Инсулин состоит из двух полипептидных цепей А и В длиной 20 и 30 аминокислот. При соединении их дисульфидными связями образуется нативный двухцепочечный инсулин. Было показано, что он не содержит белков E. coli, эндотоксинов и других примесей, не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него не отличается. Впоследствии в клетках E. coli был осуществлен синтез проинсулина, для чего на матрице РНК с помощью обратной транскриптазы синтезировали ее ДНК-копию. После очистки полученного проинсулина его расщепили и получили нативный инсулин, при этом этапы экстракции и выделения гормона были сведены к минимуму. Из 1000 литров культуральной жидкости можно получать до 200 граммов гормона, что эквивалентно количеству инсулина, выделяемого из 1600 кг поджелудочной железы свиньи или коровы.

Соматотропин - гормон роста человека, секретируемый гипофизом. Недостаток этого гормона приводит к гипофизарной карликовости. Если вводить соматотропин в дозах 10 мг на кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его недостатка, может подрасти на 6 см. Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4 - 6 мг соматотропина в пересчете на конечный фармацевтический препарат. Таким образом, доступные количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим способом, был неоднороден и мог содержать медленно развивающиеся вирусы. Компания «Genentec» в 1980 году разработала технологию производства соматотропина с помощью бактерий, который был лишен перечисленных недостатков. В 1982 году гормон роста человека был получен в культуре E. coli и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР. При производстве интерферона используют как E. coli, S. cerevisae (дрожжи), так и культуру фибробластов или трансформированных лейкоцитов. Аналогичными методами получают также безопасные и дешевые вакцины.

Практическое применение. Теперь умеют уже синтезировать гены, и с помощью таких синтезированных генов, введенных в бактерии, получают ряд веществ, в частности гормоны и интерферон. Их производство составило важную отрасль биотехнологии. Интерферон - белок, синтезируемый организмом в ответ на вирусную инфекцию, изучают сейчас как возможное средство лечения рака и СПИДа. Понадобились бы тысячи литров крови человека, чтобы получить такое количество интерферона, какое дает всего один литр бактериальной культуры. Ясно, что выигрыш от массового производства этого вещества очень велик. Очень важную роль играет также получаемый на основе микробиологического синтеза инсулин, необходимый для лечения диабета. Методами генной инженерии удалось создать и ряд вакцин, которые испытываются сейчас для проверки их эффективности против вызывающего СПИД вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). С помощью рекомбинантной ДНК получают в достаточных количествах и человеческий гормон роста, единственное средство лечения редкой детской болезни - гипофизарной карликовости. Еще одно перспективное направление в медицине, связанное с рекомбинантной ДНК, - т.н. генная терапия. В этих работах, которые пока еще не вышли из экспериментальной стадии, в организм для борьбы с опухолью вводится сконструированная по методу генной инженерии копия гена, кодирующего мощный противоопухолевый фермент. Генную терапию начали применять также для борьбы с наследственными нарушениями в иммунной системе. В сельском хозяйстве удалось генетически изменить десятки продовольственных и кормовых культур. В животноводстве использование гормона роста, полученного биотехнологическим путем, позволило повысить удои молока; с помощью генетически измененного вируса создана вакцина против герпеса у свиней.

4. Клонирование.

Основой для возникновения одного из самых перспективных биомедицинских направлений в заместительной клеточной терапии - терапевтического клонирования явились два важнейших открытия конца XX века. Это, во-первых, создание клонированной овечки Долли , во-вторых, получение эмбриональных стволовых клеток (ЭСК).

Клонирование – это воспроизведение живого существа его неполовых (соматических) клеток. Клонирование органов и ней – важнейшая задача в области трансплантологии, травматологии и других областях медицины и биологии. При пересадке клонированных органов не возникают реакции отторжения и отсутствуют возможные неблагоприятные последствия (например, рак, развивающийся на фоне иммунодефицита). Клонированные органы – это спасение для людей, попавших в автомобильные аварии или иные катастрофы, а также нуждающихся в радикальной помощи вследствие каких-либо заболеваний. Клонирование может дать бездетным людям возможно, иметь своих собственных детей, помочь людям, страдающим тяжелыми генетическими заболеваниями. Так, если гены, определяющие какое-либо наследственное заболевание, содержатся в хромосомах то в яйцеклетку матери пересаживается ядро ее собственной соматической клетки, тогда появится ребенок, лишенный опасных генов, копия матери. Если эти гены содержатся в хромосомах матери, в ее яйцеклетку будет перемещено ядро соматической клетки отца и появится здоровый ребенок, копия отца. Дальнейший прогресс человечества во многом связан с развитием биотехнологии. Вместе с тем необходимо учитывать, что неконтролируемое распространение генно-инженерных живых организмов и продуктов может нарушить биологический баланс в природе и представлять угрозу здоровью человека.

Клонирование целого организма называется репродуктивным. В этом направлении до сих пор ведутся исследования, однако есть и определенные успехи.

Широко известен случай клонирования в Великобритании овцы Долли. Этот эксперимент по клонированию млекопитающего был поставлен группой ученых, возглавляемой Яном Вилмутом. Тогда в 277 яйцеклеток были перенесены ядра, взятые из вымени животного-донора. Из них образовалось 29 эмбрионов, один из которых выжил. Долли родилась 5 июля 1996 года и стала первым млекопитающим, чье клонирование прошло успешно. Клонированное животное прожило 6,5 лет и умерло 14 февраля 2003 от прогрессирующего заболевания лёгких, вызванного ретровирусом. Сообщается, что это распространенное заболевание у овец, которые содержатся в закрытом помещении, а Долли из соображений безопасности практически не выводили пастись.

Существуют некоторые заблуждения в представлениях о клонировании. Так клонирование человека или животного однозначно не способно повторить сознание. Клонированный индивид не будет наделен разумом исходного организма, он будет нуждаться в воспитании, образовании и т.д. Более того, спорным является и вопрос полной внешней идентичности клона. Как правило, клон не является полной копией оригинала, т.к. при клонировании копируется только генотип, что не означает однозначное повторение фенотипа организма. Фенотип формируется на основе определенных генетических данных, однако условия, в которых будет выращиваться клон, способны некоторым образом повлиять на его развитие: рост, вес, телосложение, некоторые особенности умственного развития.

В большинстве стран мира любые работы по репродуктивному клонированию человека запрещены. Такое клонирование человека встречается с еще большими этическими, религиозными и юридическими проблемами, чем терапевтическое. В принципе, определенного мнения общественности на этот счет не существует, ровно как и крупнейшие мировые религии не способны дать этому явлению однозначную оценку, ибо это выходит за рамки их классических учений, а потому требует аргументации. Появляются также некоторые юридические сложности, вроде вопросов отцовства, материнства, наследования, брака и некоторых других. Развитие клонирования небезопасно также и из соображений контроля над ним, а также возможной утечки технологии в криминальные и террористические круги. Отдельную обеспокоенность вызывает высокий процент неудач при клонировании, что являет опасность появления людей-уродов.

4.1 Состояние исследований по терапевтическому клонированию в России.

Несмотря на бум по поводу больших возможностей ЭСК в лечении различных заболеваний, работы по терапевтическому клонированию в России пока практически не ведутся. В первую очередь это объясняется отсутствием законодательной базы для проведения исследований с использованием овоцитов и эмбрионов человека. С принятием таких законов для России существует реальная возможность очень быстрого развития терапевтического клонирования. В нашей стране имеются эффективные клеточные технологии получения реконструированных эмбрионов методом трансплантации ядер. По-существу, основы современных технологий переноса ядер соматических клеток, сочетающие микрохирургию и электрослияние были разработаны впервые у нас в 80-х годах прошлого столетия . Также имеются эффективные технологии получения линий человеческих ЭСК .

Реализовывать задачи терапевтического клонирования возможно на основе центров репродукции, которые помимо их прямого предназначения, могут стать цент­рами по получению линий ЭСК, в первую очередь, не­посредственно для женщин - пациенток данного центра и любых членов их семей. Можно ожидать, что с развитием терапевтических технологий получение соб­ственных ЭСК станет доступно каждому человеку. Не­обходимо осуществлять тесное сотрудничество центров репродукции с соответствующими научно-исследовательскими лабораториями, ориентированными на решение фундаментальных проблем и на разработку новых технологий. К подобным технологиям можно отнести реконструкцию эмбрионов с применением неинвазивных оптико-лазерных приемов микроманипулирования в целях терапевтического клонирования

5. Проблемы генной инженерии.

Генная инженерия – это абсолютно новая технология, разрушающая фундаментальные генетические барьеры не только между видами, но и между людьми, животными и растениями. Объединяя гены непохожих и не состоящих в родстве видов, навсегда изменяя их генетические коды, создаются новые организмы, которые будут передавать генетические изменения своим потомкам по наследству. Сегодня ученые способны вырезать, вставлять, рекомбинировать, трансформировать, редактировать и программировать генетический материал. Животные и даже человеческие гены добавляются растениям или животным, порождая невообразимые трансгенные жизненные формы. В первый раз в истории человеческие существа стали архитекторами жизни. Биоинженеры смогут создать десятки тысяч новых организмов в течение нескольких ближайших лет. Перспективы устрашающие. Генная инженерия поднимает беспрецедентные этические и социальные вопросы, а также ставит под угрозу благополучие окружающей среды, здоровья людей и животных и будущее сельского хозяйства. Далее описываются лишь некоторые из проблем, связанных с генной инженерией:

Генетически измененные организмы, которые сбегут или будут выпущены из лаборатории, могут вызвать разрушение окружающей среды. Генетически созданные «биологические загрязнители» потенциально могут быть более деструктивными, чем даже химические загрязняющие вещества. Поскольку они живые, генетически измененные продукты по своему существу более непредсказуемы, чем химические, – они могут размножаться, мигрировать и мутировать. Стоит однажды выпустить эти генетически измененные организмы в среду, их уже будет практически невозможно вернуть обратно в лабораторию. Многие ученые предупреждают, что выпуск таких организмов во внешнюю среду может привести к необратимым разрушительным последствиям для экологии.

Генетические изменения, вероятно, приведут к непредвиденным результатам и опасным сюрпризам. Биотехнология – это неточная наука, и ученые никогда не смогут гарантировать успех на 100 процентов. В практике случались серьезные случаи. Исследователи, проводившие эксперименты в университете штата Мичиган, недавно выяснили, что генетически измененные растения, устойчивые перед вирусами, могут вызывать мутацию вирусов в новые более опасные формы или формы, которые способны атаковать другие виды растений. Иные устрашающие сценарии: инородные гены генетически измененных растений могут быть перенесены вместе с пыльцой, насекомыми, ветром или дождем на другие культуры, а также дикие и сорные растения. Может случиться беда, если свойства генетически измененных культур, такие как устойчивость перед вирусами или насекомыми, получат сорняки, например. Генетически измененные растения способны производить токсины и другие вещества, которые могут нанести вред птицам и другим животным. Генная инженерия растений и животных практически определенно подвергнет опасности виды и уменьшит биологическое разнообразие. В силу своих «превосходных» генов, некоторые из ГИ растений и животных неизбежно выйдут из-под контроля, покоряя дикие виды. Так уже происходило при ввозе в страну экзотических видов, например, в Северной Америке возникали проблемы с голландской болезнью вязов и пуерарией вьющейся. Что случится с дикими видами, например, когда ученые выпустят в среду карпа, лосося или форель в два раза большую и съедающую в два раза больше еды, чем ее дикие сородичи? Другая опасность лежит в создании новых видов сельскохозяйственных культур и домашних животных. После того, как ученые создадут то, что будет названо «идеальным помидором» или «идеальной курицей», их начнут воспроизводить в больших количествах; «менее желательные» виды будут оставлены у обочины. «Идеальные» животные и растения будут затем клонированы (воспроизведены как точные генетические копии), еще больше сокращая базу доступных генов на планете.

Генетическое изменение сельскохозяйственных культур и животных может спровоцировать развитие токсических и аллергических реакций у людей. Человек, имеющий аллергию на орехи или моллюски, например, не будет иметь возможности узнать, не был ли помидор или другой продукт изменен с добавлением белков продуктов-аллергенов, а потому потребление данных ГИ продуктов может привести к фатальным последствиям. Кроме того, генные инженеры могут взять белок бактерии, найденной в почве, океане – где угодно – и добавить его в человеческую еду. Такие вещества никогда не добавлялись в пищу ранее, поэтому сведений об их токсичности и аллергенности нет.

Известны случаи, когда генетически измененные продукты приносили вред людям. В 1989 и 1990 годах генетически созданный Л-триптофан, распространенная пищевая добавка, убил более 30 американцев и надолго вывел из строя более 5000 человек, поразив потенциально смертельным и болезненным заболеванием крови, синдромом эозинофилии-миалгии, прежде чем был запрещен. Производитель «Showa Denko K.K.», третья по величине в Японии химическая компания, использовала генетически измененную бактерию для создания этой добавки, продававшейся без рецепта. Считается, что бактерия как-то была заражена в процессе рекомбинации ДНК. На продуктах не ставится указаний о том, что он был генетически изменен. Патентование ГИ-продуктов и широкое распространение производства продуктов биотехнологий уничтожит фермерство, каким оно известно с древнейших времен. Если эту тенденцию не остановить, патентование трансгенных растений и животных мясо-молочной отрасли вскоре приведет к развитию земледелия на основе аренды, когда фермеры будут брать в аренду растения и животных у биотехнологических конгломератов и платить за семена и потомство. В конечном счете, в течение следующих нескольких десятилетий, сельское хозяйство будет стерто с лица земли и перейдет под контроль промышленных фабрик биосинтеза, контролируемых химическими и биотехнологическими компаниями. Никогда больше люди не насладятся натуральными свежими продуктами. Сотни миллионов фермеров и других работников по всему миру потеряют свои заработки. Устойчивая сельскохозяйственная система будет разрушена.

Генетическое изменение и патентование животных снизит статус живых существ до производственных продуктов и приведет к еще большим страданиям. В январе 1994 года было объявлено о том, что выяснена полная карта генома коров и свиней, что предшествовало дальнейшему развитию экспериментов над животными. В дополнение к изначальной жестокости подобных экспериментов (ошибочные экземпляры рождались с болезненными дефектами, хромыми, слепыми и т.д.), эти «производственные» создания не имели большего значения для их «создателей», чем механические изобретения. Животные, генетически созданные для использования в лабораториях, такие как печально известная «гарвардская мышь», которая имела человеческий ген, вызывающий рак, который передавался всем последующим поколениям, были созданы для страданий. Чисто редукционистская наука, биотехнология снижает значимость жизни до частиц информации (генетического кода), которые можно разбирать и собирать так, как заблагорассудится. Лишенные своей неповторимости и сокровенности, животные, которые являются просто объектами для своих «изобретателей», будут рассматриваться как таковые. В настоящее время ожидают одобрения патенты на более 200 генетически измененных «причудливых» животных.

Никогда генетически созданные организмы не проверялись адекватно или должным образом на предмет безопасности. На сегодняшний день не существует соответствующей правительственной организации, созданной для работы с этим радикально новым классом существ, потенциально несущих огромные угрозы здоровью и окружающей среде. Политика Управления по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными средствами США в отношении генетически измененных продуктов иллюстрирует проблему. В мае 1992 года в этой стране была разработана новая политика в отношении биотехнологических продуктов: генетически измененные продукты не будут рассматриваться отдельно от натуральных; они не будут тестироваться на безопасность; они не будут содержать этикетки, указывающей, что они были генетически изменены; американское правительство не будет отслеживать ГИ-продукты. В результате ни правительство, ни потребители не будут знать, какие цельные или обработанные продукты были генетически изменены. Вегетарианцы и люди, исключающие определенные продукты из рациона в связи с религиозными убеждениями, столкнутся с перспективной невольного потребления овощей и фруктов, содержащих генетический материал животных и даже людей. А последствия для здоровья будут выяснены только путем проб и ошибок – потребителями.

Патентуя открытые ими гены и живые организмы, небольшая корпоративная элита вскоре будет контролировать все генетическое наследие планеты. Ученые, которые «открывают» гены и способы манипулирования ими, могут получать патенты – и, таким образом, право владения – не только на технологии генетических изменений, но и на сами гены. Химические, фармацевтические и биотехнологолические компании, такие как «DuPont», «Upjohn», «Bayer», «Dow», «Monsanto», «Cib-Geigy» и «Rhone-Poulenc», срочно пытаются определить и запатентовать гены растений, животных и людей, чтобы совершить полный захват отраслей сельского хозяйства, животноводства и производства пищевых продуктов. Это те же компании, что когда-то обещали беззаботную жизнь с пестицидами и пластиком. Можно ли доверять их планам на будущее?

Изучение генома человека может привести к рассекречиванию личной информации и новым уровням дискриминации. Некоторым людям уже отказывают в медицинском страховании на основании «плохих» генов. Не будут ли требовать генного сканирования работодатели, и не откажут ли они своим работникам от места на основании его результатов? Не получит ли правительство доступ к нашим личным генетическим профилям? Легко можно представить новый уровень дискриминации, направленной против тех, чьи генетически профили указывают, что они, например, менее умны или предрасположены к появлению определенных заболеваний.

Генная инженерия уже использовалась для «улучшения» человеческой расы,– практика под названием евгеника. Генное сканирование уже позволяет нам выяснять, не носит ли плод гены определенных наследственных заболеваний. Не начнем ли мы в ближайшем будущем избавляться от плодов на основании не угрожающих жизни дефектов, таких как миопия, предрасположенность к гомосексуальности, или по чисто косметическим причинам? Исследователи Университета Пенсильвании подали заявку на патент ГИ клеток спермы животных с тем, чтобы свойства, передаваемые одним поколением следующему, можно было изменять; это предполагает, что подобное возможно и в отношении людей. Переход от животной евгеники к человеческой – всего лишь один небольшой шаг. Все хотят лучшего для своих детей, но где мы остановимся? По неосторожности мы вскоре можем повторить усилия нацистов по созданию «совершенной» расы.

Вооруженные силы США создают арсенал генетически измененного биологического оружия. Хотя создание биологического оружия для наступления было объявлено незаконным в соответствии с международными договорами, США продолжает разрабатывать такое оружие в целях защиты. Однако генетически измененные биологические агенты идентичны, используются ли они для защиты или нападения. Области исследования подобного оружия включают следующие: бактерия, устойчивая ко всем антибиотикам; более устойчивые и опасные бактерии и вирусы, которые живут дольше и убивают быстрее, а также новые организмы, которые могут аннулировать действие вакцины или снизить природную сопротивляемость людей и растений. Также исследовались возможности разработки патогенных микроорганизмов, которые могут нарушать гормональный баланс человека достаточно, чтобы вызывать смерть, и трансформации безвредных бактерий (таких как те, что имеются в кишечнике человека) в убийц. Некоторые специалисты уверены, что также разрабатываются ГИ патогенные микроорганизмы, которые нацелены на определенные расовые группы.

Не все ученые оптимистично настроены в отношении генной инженерии. Среди скептиков Ирвин Чаргофф, выдающийся биохимик, которого часто называют отцом молекулярной биологии. Он предупреждает, что не все инновации приводят к «прогрессу». Чаргофф однажды назвал генную инженерию «молекулярным Аушвицем» и предупредил, что технология генной инженерии ставит мир под большую угрозу, чем приход ядерной технологии. «Я чувствую, что наука преступила барьер, который должен оставаться ненарушенным», – писал он в своей автобиографии. Отмечая «ужасающую необратимость» планируемых экспериментов генной инженерии, Чаргофф предупреждал, что «… вы не можете отменить новую форму жизни… она вас переживет, и ваших детей, и детей ваших детей. Необратимая атака на биосферу – это что-то столь неслыханное, столь невообразимое для предыдущих поколений, что я могу лишь пожелать, чтобы я не был в этом повинен».

5. Заключение

Общественное мнение. Несмотря на явную пользу от генетических исследований и экспериментов, само понятие «генная инженерия» породило различные подозрения и страхи, стало предметом озабоченности и даже политических споров. Многие опасаются, например, что какой-нибудь вирус, вызывающий рак у человека, будет введен в бактерию, обычно живущую в теле или на коже человека, и тогда эта бактерия будет вызывать рак. Возможно также, что плазмиду, несущую ген устойчивости к лекарственным препаратам, введут в пневмококк, в результате чего пневмококк станет устойчивым к антибиотикам и пневмония не будет поддаваться лечению. Такого рода опасности, несомненно, существуют. Генетические исследования ведутся серьезными и ответственными учеными, а методы, позволяющие свести к минимуму возможность случайного распространения потенциально опасных микробов, все время совершенствуются. Оценивая возможные опасности, которые эти исследования в себе таят, следует сопоставлять их с подлинными трагедиями, вызванными недоеданием и болезнями, губящими и калечащими людей.

Генная инженерия является одной из наиболее активно развивающихся и перспективных технологий нашего времени, которая в будущем сможет решить многие вопросы медицины и не только. Мое личное мнение по большинству спорных вопросов генной инженерии склоняется в сторону разрешения исследований и применения этих технологий.

На мой взгляд, генетическая модификация организмов при разумном контроле над этим процессом, способна решить некоторые серьезные проблемы современности. В частности, применения генной модификации в медицине с целью лечения различных заболеваний мне кажется положительным явлением, не вызывающим никаких нареканий на данном этапе развития науки.

Что касается применения генетической модификации в сельском хозяйстве и распространении генно-модифицированных продуктов, то, на мой взгляд, их гипотетическая опасность для здоровья человека фактически не подтверждается. Мне кажется, что если стандартные исследования по безопасности этих продуктов говорят о том, что их использование возможно, то они не нуждаются в каких-либо дополнительных исследованиях. ГМО в данном случае нужно рассматривать как некий новый вид растения или продукта и при условии, что он отвечает всем стандартным нормам безопасности продуктов питания, его использование следует однозначно разрешать. Также я разделяю ту точку зрения, что ГМП ввиду особого контроля к ним, улучшения их свойств на генном уровне и отсутствия необходимости применения различных вредных для человека удобрений при выращивании могут быть даже более безопасными, чем обычные продукты сельского хозяйства.

Вопросы клонирования представляют серьезные этические проблемы, когда вопрос заходит о клонировании человека. На данном этапе доводы о необходимости репродуктивного клонирования людей, на мой взгляд, недостаточно убедительны, а потому запрет на репродуктивное клонирование мне кажется обоснованным. Однако это не означает, что все исследования в данной области следует прекратить, ведь в том случае, если наука сможет дать большую вероятность выживания клонов, а общественность сможет решить другие спорные вопросы, репродуктивное клонирование вполне может быть разрешено.

Вопрос терапевтического клонирования также достаточно сложен, ведь для получения стволовых клеток необходимо остановить развитие эмбриона, который в принципе может развиться в ребенка. Мне кажется, что эта этическая проблема в некотором роде близка проблеме абортов. Однако с учетом всех обстоятельств, я склонен выступать за разрешение терапевтического клонирования, т.к. это способно спасти жизнь человека ценой возможной жизни, прерванной на этапе зарождения.

Что же касается самого изучения и исследования вопросов клонирования, в частности вопросов репродуктивного клонирования животных, на мой взгляд, оно должно быть разрешено, так как запрещать его неразумно в контексте использования животных в любых других видах лабораторных исследований.

Список используемой литературы.

1. Бочкарёв А. И. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов / А. И. Бочкарёв, Т. С. Бочкарёва, С. В. Саксонов; под ред. проф. А. И. Бочкарёва. – Тольятти: ТГУС, 2008. – 386 с.

2. Г96Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания: Учебник. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2007. - 540 с.

Генная инженерия. Развитие молекулярной биологии в конце XX в. привело к ряду открытий, имеющих важное практическое значение. К числу таких достижений принадлежит создание методов синтеза и выделения генов, положивших начало генной инженерии.

Мы знаем уже, что гены представляют собой участки ДНК, которые кодируют ферменты, белковые гормоны, защитные, транспортные и иные белки. Многие из этих белков, синтезируемых в клетках бактерий, животных или растений, представляют большую практическую ценность для медицины, сельского хозяйства, промышленности. Однако чаще всего они производятся клетками в малых количествах, и поэтому широкое использование их затруднено или невозможно. Так, важное значение для медицины имеет производство белкового гормона роста. Он вырабатывается гипофизом и контролирует рост человеческого тела, его недостаток приводит к карликовости. Введение этого гормона детям, страдающим карликовостью, обеспечивает им нормальное развитие.

Если бы мы научились вводить в клетки растений новые гены, кодирующие полноценные белки, то такие растения не отличались бы по пищевой ценности от продуктов животного происхождения. Недостаток животных продуктов (молока, яиц, мяса, рыбы), которые содержат все необходимые аминокислоты, испытывает более половины населения Земли.

В клетках некоторых бактерий есть белки, которые способны с высокой эффективностью превращать световую энергию Солнца в электрическую энергию. Если бы мы могли производить такие белки в больших количествах, то на их основе можно было бы создать промышленные установки для получения дешевой электроэнергии. Эти и многие другие задачи позволяет решать генная инженерия.

Сегодня известно несколько способов получения генов, кодирующих необходимые белки. Так, разработаны методы химического синтеза молекул ДНК с заданной последовательностью нуклеотидов. Более того, уже синтезирован таким способом ряд генов, кодирующих белковые гормоны и интерфероны - белки, защищающие человека и животных от вирусов.

Наконец, необходимые гены можно не синтезировать, а выделять готовыми из множества генов. Разработана специальная техника выделения одиночных нужных генов из всей массы ДНК, где их имеется несколько десятков тысяч.

Синтезированный или выделенный ген можно встроить в самокопирующуюся ДНК бактериофага и ввести в бактериальную клетку. Такие бактерии начинают синтезировать человеческий или животный гормон, нужный фермент или интерферон. Этим способом в бактерию можно ввести программу синтеза любого белка человека, животного или растения.

Нужный ген человека или другого организма можно ввести в бактерию, не вырезая его из ДНК. На рисунке 28 показана одна из схем получения гена путем обратной транскрипции, встраивания его в бактериальную плазмиду и наработки бактерией «чужого» белка. На первом этапе из клеток выделяют иРНК, считанную с выбранного гена. Затем на ней, как на матрице, синтезируют нить комплементарной ей ДНК (кДНК). Это осуществляют с помощью фермента обратной транскриптазы, нуждающейся для начала синтеза в искусственной затравке - коротком фрагменте ДНК, комплементарном матрице. Получается гибридная ДНК-РНК-молекула. После удаления РНК из этой молекулы на оставшейся одноцепочечной ДНК осуществляют синтез второй нити. В результате возникает полноценная молекула ДНК. Используя специальные ферменты, ее встраивают в бактериальную плазмиду - кольцевую внехромосомную молекулу ДНК, выполняющую роль переносчика нужного гена. Такой рекомбинантной, т. е. содержащей чужеродную информацию, плазмидой «заражают» бактериальную клетку. В ней плазмида реплицируется, и перенесенный ген другого микроорганизма, человека, животного или растения начинает работать. В бактериальной клетке накапливается необходимый белок, остается лишь выделить его из бактериальной массы. Таких бактерий размножают в промышленных масштабах и получают необходимый белок в больших количествах. Все эти технологические приемы основаны на успехах в познании физико-химических основ жизни. Решение практических задач с помощью описанных методов молекулярной биологии и генетики и составляет сущность генной инженерии.

Puc. 28. Схема получения гена требуемого белка

Клеточная инженерия. Биотехнология. К генной инженерии примыкает клеточная инженерия, основанная на успехах клеточной биологии. Ученые научились соединять клетки разных видов растений, объединяя их генетические программы. Такие клетки приобретают новые свойства, становятся производителями ценных лекарственных или пищевых веществ, витаминов. Из таких гибридных клеток можно выращивать целые растения с новыми свойствами, объединяющими признаки растений разных видов, которые обычно не скрещиваются между собой. В зародыши клеток животных научились вводить новые гены и получать животных с новыми наследуемыми свойствами.

Не за горами исправление наследственной программы, полученной ребенком от родителей, в том случае, если она содержит «испорченные» гены. Станет возможным введение в зародыш на ранних этапах его развития нормальных генов и тем самым избавление людей от страданий, вызываемых генетическими болезнями.

Человечество вступило в новую эпоху конструирования генетических программ, и на этой основе создаются новые формы микроорганизмов, растений, животных. В технике начинается широкое использование физико-химических принципов работы живой клетки, ее энергетических устройств для решения практических задач и создания промышленных технологий. Возникло перспективное направление в биологии - биотехнология.

1. Какие задачи стоят перед клеточной и генной инженерией?
2. Какова последовательность этапов получения рекомбинантной плазмиды?
3. Каковы перспективы генной и клеточной инженерии?

- это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.

Возможности биотехнологии необычайно велики благодаря тому, что ее методы выгоднее обычных: они используются при оптимальных условиях (температуре и давлении), более производительны, экологически чисты и не требуют химических реактивов, отравляющих среду и др.

Объекты биотехнологии: многочисленные представители групп живых организмов - микроорганизмы (вирусы, бактерии, протисты, дрожжи и др.}, растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные структуры (органеллы). Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.

Главные направления биотехнологии :

1) производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормональных препаратов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также белков, аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок;

2) применение биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы и т. и.) и для защиты растений от вредителей и болезней;

3) создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т. п.

Задачи, методы и достижения биотехнологии.

Человечеству необходимо научиться эффективно изменять наследственную природу живых организмов, чтобы обеспечить себя доброкачественной пищей и сырьем и при этом не привести планету к экологической катастрофе. Поэтому не случайно главной задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной и клеточной инженерии.

Генная (генетическая) инженерия -

раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых молекул ДНК, способных размножаться в клетке-хозяине и осуществлять контроль за синтезом необходимых метаболитов клетки.

Возникнув на стыке химии нуклеиновых кислот и генетики микроорганизмов, генная инженерия занимается расшифровкой структуры генов, их синтезом и клонированием, вставкой выделенных из клеток живых организмов или вновь синтезированных генов в клетки растений и животных с целью направленного изменения их наследственных свойств.

Для осуществления переноса генов (или трансгенеза) от одного вида организмов в другой, часто очень далекий по своему происхождению, необходимо выполнить несколько сложных операций :

выделение генов (отдельных фрагментов ДНК) из клеток бактерий, растений или животных. В отдельных случаях эту операцию заменяют искусственным синтезом нужных генов;

соединение (сшивание) отдельных фрагментов ДНК любого происхождения в единую молекулу в составе плазмиды;

введение гибридной плазмидной ДНК , содержащей нужный ген, в клетки хозяина;

копирование (клонирование) этого гена в новом хозяине с обеспечением его работы.

Клонированные гены путем микроинъекции вводят в яйцеклетку млекопитающих или протопласты растений (изолированные клетки, лишенные клеточной стенки) и из них выращивают целых животных или растения, в геном которых встроены (интегрированы) клонированные гены. Растения и животные, геном которых изменен путем генноинженерных операций, получили название трансгенных растений или трансгенных животных.

Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека, а также трансгенные растения с генами других, неродственных видов. Трансгенные организмы свидетельствуют о больших возможностях генной инженерии как прикладной ветви молекулярной генетики (например, получено новое поколение трансгенных растений, для которых характерны такие ценные признаки, как устойчивость к гербицидам, к насекомым и др.).

На сегодняшний день методы генной инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин, интерферон и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения ряда генетических болезней человека - сахарного диабета, некоторых видов злокачественных образований, карликовости,

С помощью генетических методов были получены также штаммы микроогранизмов (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans и др.), которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов (С, В 3 , В 13 , и др.), чем исходные формы.

Клеточная инженерия -

совокупность методов, используемых для конструирования новых клеток. Включает культивирование и клонирование клеток на специально подобранных средах, гибридизацию клеток, пересадку клеточных ядер и другие микрохирургические операции по «разборке» и «сборке» (реконструкции) жизнеспособных клеток из отдельных фрагментов.

В основе клеточной инженерии лежит использование методов культивирования изолированных клеток и тканей на искусственной питательной среде в регулируемых условиях. Это стало возможным благодаря способности растительных клеток в результате регенерации формировать целое растение из единичной клетки. Условия регенерации разработаны для многих культурных растений - картофеля, пшеницы, ячменя, кукурузы, томатов и др. Работа с этими объектами делает возможным использование в селекции нетрадиционных методов клеточной инженерии - соматической гибридизации, гаплоидии, клеточной селекции, преодоления нескрещиваемости в культуре и др.

Клонирование -

метод получения нескольких идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Таким способом на протяжении миллионов лет размножаются в природе многие виды растений и животных. Однако сейчас термин "клонирование" обычно используется в более узком смысле и означает копирование клеток, генов, антител и даже многоклеточных организмов в лабораторных условиях. Появившиеся в результате бесполого размножения экземпляры по определению генетически одинаковы, однако и у них можно наблюдать наследственную изменчивость, обусловленную случайными мутациями или создаваемую искусственно лабораторными методами.

Тематические задания

А1. Производством лекарств, гормонов и других биологических веществ занимается такое направление, как

1) генная инженерия

2) биотехнологическое производство

3) сельскохозяйственная промышленность

4) агрономия

А2. В каком случае метод культуры тканей окажется наиболее полезным?

1) при получении гибрида яблони и груши

2) при выведении чистых линий гладкосемянного гороха

3) при необходимости пересадить кожу человеку при ожоге

4) при получении полиплоидных форм капусты и редьки

А3. Для того чтобы искусственно получать человеческий инсулин методами генной инженерии в промышленных масштабах, необходимо

1) ввести ген, отвечающий за синтез инсулина в бактерии, которые начнут синтезировать человеческий инсулин

2) ввести бактериальный инсулин в организм человека

3) искусственно синтезировать инсулин в биохимической лаборатории

4) выращивать культуру клеток поджелудочной железы человека, отвечающей за синтез инсулина.

С давних пор человек мечтал о том, чтобы разводимые им животные были больше, выносливее и продуктивнее. Чтобы выращиваемые им сельскохозяйственные культуры вызревали в кратчайшие сроки, не поражались вредителями и болезнями, росли даже в условиях пониженных температур окружающего воздуха и отсутствия регулярных дождей.

В какой-то мере все эти планы удавалось претворить в жизнь благодаря селекции, но процесс этот весьма длительный, да и гарантии полного успеха дать никто не сможет. Кроме того, этот метод никак не поможет совместить в одном организме черты сразу нескольких видов. Конечно, если они могут скрещиваться естественным путем, то это возможно, но в прочих случаях о требуемых наследственных качествах можно только мечтать.

Основные технологии

Основным методом достижения таких результатов является клеточная инженерия. Наиболее детально все ее приемы отработаны на некоторых микроорганизмах. Вообще, дальнейшие возможности и перспективы данного направления попросту необъятны. На данный момент ведутся углубленные разработки по выделению отдельных генов, которые и можно встраивать в организм. Проще говоря, можно будет создавать домашних животных и растения, которые бы обладали строго определенным набором признаков и имели требуемый внешний вид.

Не стоит забывать и о том, что клеточная инженерия микроорганизмов сделала реальным получение «многофункциональных» бактерий, которые, к примеру, могут биологическим путем разлагать полиэтилен. Кроме того, модифицированные бактерии - идеальный материал для производства вакцин. Они вполне могут быть абсолютно безопасными (что позволяет применять «живые» препараты) из-за полностью отсутствующей вирулентности, но обладать всем набором антигенов своих «диких» предков.

Наконец, именно клеточная инженерия растений позволила вывести знаменитые квадратные арбузы и лимоны без косточек. Именно ей мы обязаны появлению картофеля, который не поедают личинки и взрослые особи колорадского жука. Именно благодаря генетическим исследованиям появилась пшеница, которая с легкостью дает отличный урожай на засоленных (!) почвах!

Методы клеточной инженерии

Всем растительным клеткам присуще свойство тотипотентности (это когда отдельная клетка может развиться в целый организм). В сельском хозяйстве это дает неограниченные перспективы в экспериментах по выведению новых видов полезных человеку культур. Весьма перспективна клеточная инженерия в животноводстве. В настоящее время ученые имеют громадный опыт по накоплению и хранению соматических клеток разнообразных пород животных in vitro. Особенно это касается хранения материала в условиях низких температур.

Кстати, а какие существуют методы клеточной инженерии животных? Давайте их обсудим.

Разделение эмбрионов на ранних стадиях

На сегодняшний день особенно перспективен метод разделения ранних эмбрионов. Первый толчок этому направлению дала начавшая развиваться трансплантология, методы которой позволили сохранять большое количество полученных эмбрионов. Вообще, первый удачный опыт по разделению зародышевого материала на стадии 2—8 был проведен Виллардом (в английском Кембридже). Недостаток такого метода в его трудоемкости, из-за чего данная операция может быть выполнена только в условиях хорошо оснащенного медицинского учреждения.

Проще говоря, это чрезвычайно сложная биотехнология. Клеточная инженерия в наше время использует куда более простые методы.

Позднее разделение зародышей

Так, ученые начали манипулировать зародышевым материалом только на более поздних стадиях (морула, бласто-циста). Сущность метода состоит в том, что сперва вскрывается прозрачная зона (pellucida), после чего эмбрион аккуратно разделяется надвое. Одна половинка остается на прежнем месте, в то время как вторую часть переносят в заранее подготовленную зону.

Даже несколько лет назад выживаемость эмбрионов при использовании этой методики достигала 50—60%, тогда как на сегодняшний день этот показатель приближается уже к 80%. Основной прикладной эффект - значительное увеличение количества телят, получаемых от одного производителя. Неудивительно, что клеточная инженерия животных - отрасль, которая не испытывает недостатка в финансировании.

Первыми в этих опытах были американские ученые. Именно они сделали вывод, что если лишить эмбрион прозрачной оболочки, то он выживает не более чем в 15% случаев, но если слой пеллюцида сохранить, то выживаемость сразу увеличивается до 35% случаев. Наиболее оптимальные результаты получаются в том случае, если у каждой половинки разделенного эмбриона есть прозрачная оболочка и каждую часть вводят в отдельный рог матки: в современных условиях выживает до 75% эмбрионов.

Но для каких целей используется клеточная инженерия на практике? Какие результаты получают с ее помощью?

Значение клеточной инженерии в племенном деле

На сегодняшний день эта методика все более активно начинает использоваться в международном племенном деле. Сравнительно недавно была успешно опробована методика получения и внедрения эмбрионов у свиней. Исследователи считают, что клеточная инженерия может позволить увеличить количество потомков одного животного минимум на 30—35%. Но не стоит забывать и о возможности получения генетических копий.

Такие животные едва ли не на вес золота для тех ученых, которые изучают взаимодействие окружающей среды и генотипа. Дело в том, что наличие двух совершенно одинаковых особей позволяет свести к минимуму влияние внутренних факторов при изучении влияния внешней среды на организм. Кроме того, можно производить забой одного животного из пары в том случае, если для исследования требуются данные о внутреннем состоянии организма.

Все эти разработки - основные методы клеточной инженерии. Но мы забыли рассказать о важнейшем направлении этой отрасли наук, связанном с искусственной регуляцией пола сельскохозяйственных животных. Пора исправить этот недочет.

Методы регуляции пола

Наверняка никто не удивится, узнав о невероятной важности разработок в области искусственной регуляции пола у сельскохозяйственных животных. В настоящее время ученые не могут регулировать численность животных одного пола, да и с узнаванием половой принадлежности особи на ранних этапах ее развития существуют большие проблемы. Пока что прогресс в деле искусственной регуляции этого показателя достигнут лишь очень незначительный: даже клеточная инженерия и клонирование не позволяют до конца решить эту проблему.

Конечно же, в идеале стоило бы попросту разделять спермии, которые несут Х- и У-хромосомы. Именно в этом направлении и должны развиваться исследования. Другой подход (который куда проще, а потому используется) состоит в том, чтобы извлекать ранние эмбрионы из репродуктивной системы самок, определять их пол, а затем производить их трансплантацию.

Но как ко всему этому относятся методы клеточной инженерии? Все достаточно просто.

Все дело в цитологическом методе, при помощи которого определяют тип эмбриона XX или XY. Делается это посредством изучения хроматина или же половых хромосом. В последние годы также выяснено, что выяснить пол можно, изучив специфические антитела, которые у самок и самцов совершенно разные. Есть также мнения некоторых ученых, что установить гендерную принадлежность можно, изучив активность глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы. Впрочем, в настоящее время наиболее эффективны цито-логический и иммунологический (изучение антител) методы.

Генная инженерия

В названии данной статьи неслучайно используется словосочетание "генная и клеточная инженерия". Какими бы эффективными ни были методы коррекции клеточного материала, работа непосредственно с генами всегда будет намного более эффективной.

В настоящее время именно генетические методы постепенно завоевывают лидирующую роль в животноводстве и растениеводстве всего мира. Благодаря им селекционная работа вышла на принципиально иной уровень: отныне ученые могут не просто предполагать, какими именно качествами будет обладать создаваемая ими особь, но знать это наверняка.

Нужно сразу заметить, что все не так уж и хорошо. Имеются некоторые ограничения. Дело в том, что к генетическим манипуляциям допускается только генетический материал быков, которые могут улучшать свое потомство (улучшатели). Проблема только в том, что таких животных на сегодняшний день чрезвычайно мало. Кроме того, программы, направленные на искоренение того же мастита, пока что видимых результатов не дают. Проще говоря, генная и клеточная инженерия - далеко не панацея.

Сами же методы инженерии стали складываться в единую систему только с 50-х годов прошлого века. Так, одной из основных работ, которые и положили начало данной отрасли науки, стали опыты по пересадке клеточных ядер по методу Бригса и Кинга. Сперва удачно осуществить данную операцию получалось исключительно на лягушках. В настоящее время проводятся удачные опыты по пересадке генетического материала даже у мышей и более крупных млекопитающих.

Сравнительно недавно учеными был создан метод переноса ядра после слияния кариопластов. Кроме того, методы генной и клеточной инженерии уже сейчас позволяют создавать химерические организмы на основе различных видов мекопитающих.

Гарднером вскоре был разработан принципиально новый метод, при котором производится имплантация бластомеров в бластоцисты реципиента. Бутлером данная методика была успешно отработана на лабораторных мышах. Именно на основании данных разработок впервые были получены химеры на основе организма овец.

Все описанные выше работы постепенно готовили мировую сельскохозяйственную науку к широкому внедрению методов генной инженерии. Наиболее распространенным методом на сегодняшний день является перенос генного материала в культивируемые клетки с последующим их внесением в бластоцисту.

Но перед тем как мы разберемся с некоторыми аспектами этой технологии, стоит ответить на важный вопрос. Точнее, обсудить отличие генной инженерии от клеточной. В общем-то, здесь все достаточно просто: если в первом случае ученые оперируют непосредственно генетическим материалом, то при использовании «клеточных» методов для работы берутся целые органоиды и участки клеток, которые имплантируются в материал реципиента.

Развернутое определение

Так в чем состоит суть генной инженерии? В середине 70-х годов прошлого века ученые сделали сенсационное открытие. Они выяснили, что некоторые микробные ферменты способны разрезать молекулу ДНК в необходимом месте. Проще говоря, появилась уникальная возможность получать генетический материал со строго заданными свойствами.

Наконец-то исследователи смогли с высочайшей точностью идентифицировать определенные гены, а также клонировать их в случае необходимости. Какими принципами руководствуются ученые в своей работе? В общем-то, их всего два:

• Ген должен иметь какую-то четкую характеристику, которую и предстоит детектировать.
• Выделенный генетический материал требуется прикрепить к переносчику (вирусу, к примеру), который и произведет его трансплантацию.

Проще говоря, выделенный ген из организма донора нужно перенести в организм реципиента, для которого он является чужим. Главное в работе исследователей - не просто добиться его приживления, но и создать такие условия, при которых он будет нормально реплицироваться.

Работа с зиготой

Впрочем, в последние годы не меньшее распространение получила методика, при которой чужеродные гены инъецируют в пронуклеус зиготы животных. Впервые этот способ был апробирован на ооцитах озерных лягушек: сперва в них вводилась определенная ДНК, причем учеными сразу были отмечены интеграция и транскрипция. В 1981 году впервые был проведен интереснейший эксперимент, в ходе которого ген гаммаглобулина кролика был внесен в зиготу мыши.

Ген при этом имел вид длинного геномного тандема, содержащего стабильные участки. Любопытно, но правильно транскрибирова-лись они только при том условии, если в них совершенно не было плазмидных компонентов. Проявление генов, которые были встроены с использованием этого метода, было подробнейшим образом изучено на лабораторных мышах.

За один год до экспериментов с зиготой мыши, в 1980 году, в пронуклеус все той же мышиной зиготы поместили плазмиду pBR322, в которой содержались фрагменты вирусов SK40 и HSV. В результате ДНК вируса была найдена у трех мышей из 78 особей, которые участвовали в эксперименте. Как ни странно, но при инъекции гена гаммаглобулина человека его интеграция наблюдалась уже у пяти мышей из 33 особей (более 15%). Этот опыт уже тогда доказал, что создание химерических организмов, которые бы сочетали в себе черты сразу нескольких видов, вполне реально.

Бринстер и его последователи с учениками произвели трансплантацию в пронуклеусы зигот мышей специально подготовленной конструкции, в состав которой входил металлотионеин мыши, а также ген тимидинкиназы. В этом случае полная интеграция была отмечена уже у 17% лабораторных животных.

Основные выводы

В настоящее время генная инженерия наконец-то стала перспективной, обсуждаемой отраслью науки. Об этом знают практически все. Но в чем же состоят задачи клеточной инженерии и работы с генетическим материалом? О, они весьма разнообразны.

Во-первых, перед учеными всего мира стоит задача усмирения, снижения голода на всей планете. Методы генной и клеточной инженерии делают вполне реальным создание таких сортов растений и видов животных, продуктивность которых будет в десятки раз превышать таковую у их диких предков.

Во-вторых, эта научная отрасль, быть может, окажется способна победить проблемы преждевременного старения и прочих генетических заболеваний, от которых на сегодняшний день не существует ни одного лекарства. Наконец, именно генная инженерия когда-нибудь наверняка позволит в значительной степени продлевать жизнь!

Специалисты говорят, что именно методы генной инженерии уже в ближайшем будущем позволят не только диагностировать на предельно ранних сроках беременности генетические болезни (синдром Дауна, к примеру), но и эффективно их лечить!

Клеточная инженерия

Клеточная инженерия – выращивание клеток вне организма на специальных питательных средах, где они растут и размножаются, образуя культуру ткани. Это метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. Клеточная реконструкция связана с созданием жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток (ядра, цитоплазмы, хромосом и др.). С помощью клеточной инженерии удается соединять геномы весьма далеких видов. Показана принципиальная возможность слияния соматических клеток животных с клетками растений. Изучение гибридных клеток позволяет решать многие теоретические проблемы биологии и медицины: выяснить взаимные влияния ядра и цитоплазмы; механизмы клеточной дифференцировки и регуляции клеточного размножения, превращения нормальной клеток в раковую и т.д.

При гибридизации искусственно объединяют целые клетки (протопласты клеток) с образованием гибридного генома . С помощью ферментов или ультразвука удаляют клеточные стенки растительных клеток и соединяют «голые» протопласты клеток. После этого клеточные стенки восстанавливаются, и образуют каллус – неорганизованная клеточная масса, вызывая дифференциацию клеток которой получают целое гибридное растение.

Клеточная инженерия широко применяется в биотехнологии, например, использование гибридов (гибридных клеток) для получения моноклональных антител. На основе генетически измененных клеток возможно создание новых форм растений, обладающих полезными признаками и устойчивых к благоприятным условиям среды и болезням.

Генная инженерия – искусственная перестройка генома. Раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием in vito (в пробирке) новых комбинаций генетического материала, способного размножаться в клетке-хозяине и синтезировать продукты обмена веществ. Сопровождаться искусственным переносом нужных генов от одного вида живых организмов (бактерий, растений, животных) к другому, зачастую далекому по происхождению. Современные генные технологии используют для генотерапии, т.е. лечения наследственных болезней путем введения человеку «здоровых» генов.

Высшим достижением современной биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных генов и других материальных носителей наследственности в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать коренные задачи селекции биологических объектов на устойчивость, высокую продуктивность и качество продукции при оздоровлении экологической обстановки во всех видах производств. Однако для достижения этих целей предстоит преодолеть огромные трудности в повышении эффективности генетической трансформации и прежде всего в идентификации генов, создании их банков клонирования, расшифровке механизмов полигенной детерминации признаков и свойств биологических объектов, обеспечении высокой экспрессии генов и создании надежных векторных систем. Уже сегодня во многих лабораториях мира, в том числе и в России, с помощью методов генетической инженерии созданы принципиально новые трансгенные растения, животные и микроорганизмы, получившие коммерческое признание.

Современная биотехнология

Современная биотехнология тесно стыкуется с рядом научных дисциплин, осуществляя их практическое применение или же являясь их основным инструментом (рис. 1).

Рис. 1. Связь биотехнологии с другими науками (по В.И.Кефели, 1989)

В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активным соединений. Например, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост.

Созданы перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.