Генная инженерия

1. Биотехнологии

1.1. Основные понятия

     Биотехнология - это производственное использование  биологических агентов или их систем для получения ценных продуктов  и осуществления целевых превращений.

     Биологические агенты в данном случае - микроорганизмы, растительные или животные клетки, клеточные компоненты (мембраны клеток, рибосомы, митохондрии, хлоропласты), а также биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки - чаще всего ферменты). Биотехнология использует также вирусную ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки.

     Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, используя различные  микроорганизмы, при этом, даже не подозревая об их существовании.

     Собственно  сам термин появился в нашем языке  не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др.

     Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом  было сбраживание с помощью микроорганизмов. В пользу этого свидетельствует  описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э.

     Не  менее древними биотехнологическими  процессами являются виноделие, хлебопечение, и получение молочнокислых продуктов.

     В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

     Термин  «новая» биотехнология в противоположность  «старой» биотехнологии применяют  для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии и более традиционные формы биопроцессов.

     Так, обычное производство спирта в процессе брожения – «старая» биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта – «новая» биотехнология.

     Биотехнология как наука является важнейшим  разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов  в мировой науке и экономике.

     Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах, но, несмотря на столь короткий срок своего существования, биотехнология привлекла пристальное внимание, как ученых, так и широкой общественности.

     По  прогнозам, уже в начале 21 века биотехнологические товары будут составлять четверть всей мировой продукции.

     Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах  рекомбинантных ДНК, а также на использовании  иммобилизованных ферментов, клеток или  клеточных органелл.

     Современная биотехнология - это наука о генно-инженерных и клеточных методах создания и использования генетически  трансформированных биологических  объектов для улучшения производства или получения новых видов  продуктов различного назначения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.2. Основные направления  биотехнологий

     Условно можно выделить следующие основные направления биотехнологии:

• биотехнология пищевых продуктов;
• биотехнология препаратов для сельского хозяйства;
• биотехнология препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования;
• биотехнология лекарственных препаратов;
• биотехнология средств диагностики и реактивов.

     Биотехнология также включает выщелачивание и  концентрирование металлов, защиту окружающей среды от загрязнения, деградацию токсических  отходов и увеличение добычи нефти. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.3. Генная инженерия  – основа биотехнологии

     Генная  инженерия — это область биотехнологий, включающая в себя действия по перестройке  генотипов. Уже сегодня генная инженерия  позволяет включать и выключать  отдельные гены, контролируя, таким образом, деятельность организмов, а также — переносить генетические инструкции из одного организма в другой, в том числе – организмы другого вида. По мере того, как генетики всё больше узнают о работе генов и белков, всё более реальной становится возможность произвольным образом программировать генотип (прежде всего, человеческий), с лёгкостью достигая любых результатов: таких, как устойчивость к радиации, способность жить под водой, способность к регенерации повреждённых органов и даже бессмертие. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Генетическая инженерия

2.1. История генной  инженерии

     Генная  инженерия появилась благодаря  работам многих исследователей в  разных отраслях биохимии и молекулярной генетики.

     На  протяжении многих лет главным классом макромолекул считали белки. Существовало даже предположение, что гены имеют белковую природу.

     Лишь  в 1944 году Эйвери, Мак Леод и Мак  Карти показали, что носителем  наследственной информации является ДНК.

     С этого времени начинается интенсивное  изучение нуклеиновых кислот. Спустя десятилетие, в 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали двуспиральную модель ДНК. Именно этот год принято считать годом рождения молекулярной биологии.

     На  рубеже 50-60-х годов были выяснены свойства генетического кода, а к  концу 60-х годов его универсальность была подтверждена экспериментально.

     Шло интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой стали  кишечная палочка (E. Coli), ее вирусы и  плазмиды.

     Были  разработаны методы выделения высокоочищенных  препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов.

     ДНК вирусов и плазмид вводили  в клетки в биологически активной форме, обеспечивая ее репликацию и  экспрессию соответствующих генов.

     В 70-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения  ДНК. Особая роль в развитии методов генной инженерии принадлежит рестриктазам и ДНК-лигазам.

     Историю развития генетической инженерии можно  условно разделить на три этапа:

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

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

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

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

     2.2. Цели и методы  генной инженерии

     Цель  прикладной генетической инженерии  заключается в конструировании таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека.

     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. Таким способом можно исправлять дефектные гены и лечить наследственные заболевания.

     Если  гибридную ДНК ввести в оплодотворенное  яйцеклетку, могут быть получены трансгенные  организмы, передающие мутантный ген  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.

     Технология  рекомбинантных ДНК использует следующие  методы:

• специфическое расщепление ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами;
• быстрое секвенирование всех нуклеотидов в очищенном фрагменте ДНК, что позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им;
• конструирование рекомбинантной ДНК;
• гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические последовательности РНК или ДНК с большей точностью и чувствительностью;
• клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;
• введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.3. Возможности генной  инженерии.

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

    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. 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 трансгена. Помимо интегративных систем экспрессии, будут опробованы автономно реплицирующиеся векторы. Особый интерес представляют искусственные хромосомы растений, которые теоретически не накладывают никаких ограничений на объём вносимой теоретической информации.

    Кроме этого 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: