Клеточная инженерия

В настоящее  время большой интерес представляют так называемые  наноэлектротехнологии, т.е. биологические и физиологические процессы, осуществленные с помощью наноэлектрочастиц (электронов, протонов, ионов, фотонов) на уровне живых клеток и микроорганизмов.

Под термином «наноэлектротехнология» понимаются электрофизические воздействия оптического излучения ультрафиолетового (УФ) диапазона на сельскохозяйственные объекты и их составные элементы на уровне биоклеток и их структур.

 К  УФ излучению относится часть  оптической области спектра с длинами волн от 11 до 400 нм, которые обладают наибольшей энергетической активностью по сравнению с видимыми и инфракрасным (ИК) излучением. Исследованиями воздействия УФ излучения на организм животных и растений установлено выраженное разностороннее биологическое действие как естественного, так и искусственного излучения.

Фитобиологические реакции независимо от того, в каком  объекте они протекают, разделяются  на две группы: функционально-физиологические  и деструктивно-одифицирующие.

В научных  коллективах агропромышленного профиля разработано и обосновано боле 110 энергосберегающих наноэлектротехнологий, в том числе с использованием  электромагнитных полей сверхвысоких частот (ЭМП СВЧ), оптических и ультразвуковых излучений, электрических зарядов и импульсов, элекроаэрозолей и ионов.

Интерес к нанотехнологиям обусловлен тем, что при воздействии на наноуровне материалы и объекты изменяют свою структуру и преобретают  некоторые превосходные свойства, включая  химические, электрические и оптические. Перспективными направлениями применения нанотехнологий и наноматериалов в сельском хозяйстве могут быть следующие.

Нанороботы (сравнимы по размерам с кровяными  клетками или даже меньше их) способны исследовать каждый капилляр. Они  поддаются управлению при проведении диагностических операций. Путем применения высокоскоростных беспроводных средств коммуникации нанороботы могут быть объединены в сеть с другими компьютерами, а также образовывать базы данных исследуемых объектов.

Наноустройства, которые могут имплантироваться в растения, животные, позволяют получать и передавать в реальном времени данные о скорости роста и других физиологических характеристиках, обеспечивают определение структуры и продуктивности исследуемых объектов, состояния окружающей среды, а также уровней химических и физических рисков.

Ключевой  особенностью биологических наноструктур является способность к распознаванию  на молекулярном уровне, которая играет очень важную роль в процессах  самосборки атомных и молекулярных структур. Процесс самосборки имеет две характерные особенности: молекулы обладают высокой аффинностью по отношению друг к другу, а в результате образования связей формируется структура с предсказуемыми свойствами. Ученые, которые стремятся создавать определенные наноструктуры, предпочли бы имитировать подобные механизмы сборки. Вместо того чтобы «спускаться» с макроскопического уровня, используя все более точные и дорогостоящие инструменты, удобнее было бы создавать наноконструкции «снизу вверх», начиная с химических систем.

Одно из преимуществ конструирования «снизу вверх» — огромное химическое разнообразие. Поскольку на поверхности компонентов клетки на единицу площади приходится множество функциональных групп, то в качестве строительного блока можно использовать всю эту сложную в химическом отношении поверхность. В принципе, возможно, менять положение и ориентацию такого блока. Конструирование «сверху вниз», напротив, основано на материалах с небольшим химическим разнообразием. Другое преимущество – значительные количества вещества, с которыми приходится иметь дело на химическом уровне. Всего 1 пмоль вещества содержит 1112 молекул. Компонент, который с наибольшим успехом применяется в экспериментах по имитации  биологической самосборки – ДНК.

Обеспечение населения безопасными продуктами питания при минимальном загрязнении окружающей среды – основа выживания человечества. В этом аспекте роль нанотехнологий в сельском хозяйстве развитых и развивающихся стран, в том числе и Казахстана, вероятно, будет доминирующей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ PANAX GINSENG C.A.MEY

Флора Приморского края является богатейшим потенциальным источником традиционных и новых лекарственных средств  растительного происхождения. По количеству уникальных лекарственных растений, неизвестных, или малоизвестных в нашей стране, но широко используемых за рубежом, Приморский край не имеет себе равных среди других районов России. Однако, как правило, эти растения представлены редкими или исчезающими видами, что не позволяет широко использовать их в медицине.

В полной мере это относится и реликтовому  дальневосточному растению - женьшеню настоящему (Panax ginseng C.A.Mey).

Установлено, что биологически активными веществами женьшеня являются гинзенозиды, и главным  образом, с этой группой веществ  связаны целебные свойства женьшеня (Tanaka and Kasai, 1984). Доказано, что гинзенозиды оказывают сильное иммуностимулирующее, радиопротекторное, противоопухолевое, противовоспалительное, антиязвенное действие. Также эти вещества подавляют развитие тромбов, нормализуют кровяное давление, увеличивают продолжительность жизни нейронов коры головного мозга, положительно действуют на эндокринную систему и углеводный обмен. При применении препаратов женьшеня повышается работоспособность, замедляются процессы старения. Тем не менее, использование женьшеня в медицине ограничено низкими сырьевыми запасами природного растения. Исследованиями последних лет установлено, что генетические ресурсы дикорастущего женьшеня близки к истощению (Zhuravlev et al., 1996).

Недостаток  природного сырья можно преодолеть путем введения растительных клеток в культуру in vitro, т.е. в культуру клеток растущих вне организма на специально подобранных питательных средах. Введение в клеточную культуру ценных и редких растений решает одновременно две задачи: во-первых, создается возобновляемый источник сырья для выработки лекарственного препарата, во-вторых, создаются предпосылки для сохранения генофонда растения. Поэтому уже более 30 лет проводятся работы по созданию воспроизводимого биотехнологического источника гинзенозидов путем получения клеточных культур женьшеня, синтезирующих набор гинзенозидов в количествах и соотношениях, близких к нативному растению. В то же время большинство из полученных клеточных культур женьшеня отличаются от натуральных корней тем, что содержат не весь набор гинзенозидов, меньшим содержанием суммы гинзенозидов, соотношениями отдельных гинзенозидов. В настоящее время существует ряд методических приемов, направленных на активацию синтеза биологически активных веществ в культурах in vitro.

В Биолого-почвенном  институте ДВО РАН из различных  органов растений женьшеня получены клеточные культуры (Журавлев и др. 1990; Булгаков и др., 1991), обладающие способностью к синтезу гинзенозидов. В 1992-1997 гг. нами впервые проведено сравнительное изучение эффективности различных путей регуляции синтеза гинзенозидов в полученных культурах. Увеличения выхода биологически активных веществ женьшеня удалось добиться посредством использования селекции, светового режима культивирования, биосинтетических предшественников гинзенозидов (мевалоновой кислоты и фарнезола) и определенных фитогормонов. Разработана схема комбинированной регуляции синтеза гинзенозидов путем изменения условий культивирования и состава сред в сочетании с методами генетической инженерии. Впервые предпринята работа по получению клеточных культур женьшеня, содержащих чужеродные гены и поиску гена ответственного за увеличение синтеза гинзенозидов. Применение методов генной инженерии позволило получить ряд высокопродуктивных трансгенных корневых культур женьшеня, обладающих способностью к стабильному синтезу целевых веществ в течение продолжительного культивирования, что делает эти культуры новым перспективным источником для выработки биологически активных веществ. Используя генетическую трансформацию геном rolC из Agrobacterium rhizogenes впервые удалось вызвать морфогенез (образование побегов и листьев) в клеточной культуре женьшеня. Установлено, что побеги и листья морфогенной культуры синтезируют гинзенозиды в количествах и соотношениях, свойственных надземной части плантационного растения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вывод:

Подводя итог можно сказать, что клеточная  инженерия – одно из наиболее важных направлений в биотехнологии. Она основана на использовании принципиально нового объекта – изолированной культуры клеток или тканей эукариотических организмов, а также на тотипотентности – уникальном свойстве растительных клеток. Применение этого объекта раскрыло большие возможности в решении глобальных теоретических и практических задач. В области фундаментальных наук стало осуществимым исследование таких сложных проблем, как взаимодействие клеток в тканях. Клеточная дифференцировка, морфогенез, реализация тотепотентности клеток, механизмы появления раковых клеток и др. при решении практических задач основное внимание уделяется вопросам селекции, получения значительных количеств биологически ценных метаболитов растительного происхождения, в частности более дешевых лекарств, а также выращивания оздоровленных безвирусных растений, их клонального размножения и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы:

«Основы биотехнологии» Егорова, Клунова, Живухина; М. 2003.

"Биология" - еженедельное приложение к газете "Первое сентября" (№21 1998)