Клонирование

б) строение рекомбинатной  ДНК

Гибридная ДНК имеет  вид кольца. Она содержит ген (или  гены) и вектор. Вектор - это фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение гибридной  ДНК и синтез конечных продуктов  деятельности генетической системы - белков. Большая часть векторов получена на основе фага лямбда, из плазмид, вирусов SV40, полиомы, дрожжей и др. бактерий. Синтез белков происходит клетке-хозяине. Наиболее часто в качестве клетки-хозяина  используют кишечную палочку, однако применяют  и др. бактерии, дрожжи, животные или  растительные клетки. Система вектор-хозяин не может быть произвольной: вектор подгоняется к клетке-хозяину. Выбор  вектора зависит от видовой специфичности  и целей исследования. Ключевое значение в конструировании гибридной  ДНК несут два фермента. Первый - рестриктаза - рассекает молекулу ДНК на фрагменты по строго определенным местам. И второй - ДНК-лигазы - сшивают  фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких  ферментов создание искусственных  генетических структур стало технически выполнимой задачей.

в) этапы генного  синтеза.

Гены, подлежащие клонированию, могут быть получены в составе  фрагментов путем механического  или рестриктазного дробления тотальной  ДНК. Но структурные гены, как правило, приходится либо синтезировать химико-биологическим  путем, либо получать в виде ДНК-копии  информационных РНК, соответствующих  избранному гену. Структурные гены содержат только кодированную запись конечного продукта (белка, РНК), и  полностью лишены регуляторных участков. И поэтому не способны функционировать в клетке-хозяине.

При получении рекДНК образуется чаще всего несколько  структур, из которых только одна является нужной. Поэтому обязательный этап составляет селекция и молекулярное клонирование рекДНК, введенной путем  трансформации в клетку-хозяина. Существует 3 пути селекции рекДНК: генетический, иммунохимический и гибризационный с мечеными ДНК и РНК.

г) практические результаты генной инженерии.

 В результате  интенсивного развития методов  генетической инженерии получены  клоны множества генов рибосомальной,  транспортной и 5S РНК, гистонов, глобина мыши, кролика, человека, коллагена, овальбумина, инсулина  человека и др. пептидных гормонов, интерферона человека и прочее. Это позволило создавать штаммы  бактерий, производящих многие биологически  активные вещества, используемые  в медицине, сельском хозяйстве  и микробиологической промышленности.

На основе генетической инженерии возникла отрасль фармацевтической промышленности, названная “индустрией  ДНК”. Это одна из современных ветвей биотехнологии.

Для лечебного применения допущен инсулин человека (хумулин), полученный посредством рек ДНК. Кроме того, на основе многочисленных мутантов по отдельным генам, получаемых при их изучении, созданы высокоэффективные  тест-системы для выявления генетической активности факторов среды, в том  числе для выявления канцерогенных  соединений.  Генная инженерия может  дать в неограниченном количестве гормоны  и другие белки человека, необходимые  для лечения генетических болезней (например, инсулин, гормон роста и  др.). Усилия генной инженерии направлены на получение бактерий с высокоактивной нитрогеназой, способных в больших  количествах связывать и накапливать  азот. Еще более интересны попытки  биологов включить ген нитрогеназы  в растительную клетку. В генной инженерии бактериофаги используются для переноса генетического материала, т. е. В качестве векторов. Задача генной инженерии – активная и целенаправленная перестройка генов живых существ  и их конструирование, т.е. управление наследственностью. Разработаны методы, позволяющие выращивать организмы  из отдельных клеток и тканей. Благодаря  генетической инженерии и слиянию  клеток теперь становится возможным  производить биотехнологическим методом  в промышленных масштабах синтезируемые  живыми организмами в ничтожных  количествах. Это как уже говорилось интерферон, гормон роста человека или некоторые антитела. Так ген  для гормона роста переносят  в бактерию таким образом, чтобы  она была способна производить его. Генетика способствует изучению закономерностей  развития организма человека и появление  его наследственных особенностей в  том числе индивидуальных, творческих, физических и интеллектуальных особенностей. Очевидна роль генетики и в изучении наследственных болезней человека и  способов их профилактики, лечения, а  так же путем предотвращения вредного воздействия на наследственность физических и химических факторов окружающей среды. Генноинженерные методы наиболее перспективны в сельском хозяйстве, особенно в  растениеводстве. Растения очень удобный  объект для генных инженеров.                   

д) теоретическое значение генетической инженерии.

За короткий срок генная инженерия оказала огромное влияние на развитие молекулярно-генетических методов и позволила существенно  продвинуться по пути познания строения и функционирования генетического  аппарата.  

е) 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 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.

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 в следствии  разработки методов, позволяющих одновременно анализировать экспрессию большого количества генов с очень высокой  пропускной способностью. Применяемые  на практике методы можно разделить  на две категории:

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.

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 ни каких изначальных  сведений о генах, контролирующих тот  или иной признак. Отсутствие рационального  компонента в данном случае является положительным обстоятельством, поскольку  неограничен нашими сегодняшними представлениями  о природе и генном контроле конкретного  интересующего нас признака. 

Кроме всего этого  группа ученых, таких как Марк Адам (ведущий сотрудник института  геномных исследований в штате Мэриленд – США,  частной исследовательской  компании, занимающейся исключительной работой в области картирования генов), Крэйк Вентер (директор этого института) и соавторами, разрабатывается проект «Геном человека». Цель этого проекта заключается в выяснении последовательности оснований во всех молекулах ДНК в клетках человека. Одновременно должна быть установлена локализация всех генов, что помогло бы выяснить причину многих наследственных заболеваний и этим открыть пути к их лечению. Что бы последовательно приближаться к решению проблемы картирование генов человека, было сформулировано пять основных целей:

Завершить составление  детальной генетической карты, на которой  были бы помечены гены, отстоящие друг от друга на расстоянии не превышающем  в среднем 2 млн. оснований (1 млн. оснований  принято называть мегобазой);

составить физические карты каждой хромосомы (разрешение 0.1 Мб);

получить карту  всего генома в виде охарактеризованных клонов (5 тыс. оснований в клоне  или 5 Кб);

завершить к 2004 году полное секвенирование ДНК (разрешение одного основание);

нанести на полностью  завершенную секвенсовую карту  все гены человека (к 2005 году).

Ожидалось, что, когда  все указанные цели будут постигнуты, исследователи определят все  функции генов и разработают  методы биологического и медицинского применения полученных данных.

Рассмотрев темпы  ускорения работы в рамках проекта  «Геном человека», руководители этого  проекта объявили 23 октября 1998г., что  программа будет полностью завершена  гораздо раньше, чем планировалось, и сформулировали «Новые задачи проекта  «Геном человека»:

полностью завершить  в декабре 1998 года работу по секвенирование генома «Круглого червя» c. elegans (это  было сделано в срок);

закончить предварительный  анализ последовательности ДНК человека к 2001 году, а полную последовательность к 2003 году;

картировать к 2002 году геном плодовой мухи;

начать секвенирование генома мыши с использованием методов ДНК искусственных

хромосом дрожжей (завершить этот проект к 2005 году).

Помимо этих целей, официально включен в поддерживаемый правительством США и рядом других правительств проект, некоторые исследовательские  центры объявили о задачах, которые  будут решаться в основном за счет частных фондов и пожертвователей. Так, ученые калифорнийского университета (Беркли), Орегонского университета и Ракового исследовательского центра имени Фрейда Хатчинсона начали программу  «Геном собаки».

Международное общество секвенирование в феврале 1996 года приняло  решение о том, что любая последовательность нуклиотидов размером 1-2 Кб должна быть обнародована в течение 24 часов после  ее установления. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

Биотехнология в медицине 

В медицине биотехнологические приемы и методы играют ведущую роль при создании новых биологически активных веществ и лекарственных  препаратов, предназначенных для  ранней диагностики и лечения  различных заболеваний. Антибиотики  — самый большой класс фармацевтических соединений, получение которых осуществляется с помощью микробиологического  синтеза. Созданы генноинженерные  штаммы кишечной палочки, дрожжей, культивируемых клеток млекопитающих и насекомых, используемые для получения ростового гормона, инсулина и интерферона человека, различных ферментов и противовирусных вакцин. Изменяя нуклеотидную последовательность в генах, кодирующих соответствующие белки, оптимизируют структуру ферментов, гормонов и антигенов (так наз. белковая инженерия). Важнейшим открытием явилась разработанная в 1975 Г. Келером и С. Мильштейном техника использования гибридом для получения моноклональных антител желаемой специфичности. Моноклональные антитела используют как уникальные реагенты, для диагностики и лечения различных заболеваний. 

Биотехнология в сельском хозяйстве 

Вклад биотехнологии  в сельскохозяйственное производство заключается в облегчении традиционных методов селекции растений и животных и разработке новых технологий, позволяющих  повысить эффективность сельского  хозяйства. Во многих странах методами генетической и клеточной инженерии  созданы высокопродуктивные и устойчивые к вредителям, болезням, гербицидам сорта сельскохозяйственных растений. Разработана техника оздоровления растений от накопленных инфекций, что особенно важно для вегетативно  размножаемых культур (картофель и  др.). Как одна из важнейших проблем  биотехнологии во всем мире широко исследуется возможность управления процессом азотфиксации, в том  числе возможность введения генов  азотфиксации в геном полезных растений, а также процессом фотосинтеза. Ведутся исследования по улучшению  аминокислотного состава растительных белков. Разрабатываются новые регуляторы роста растений, микробиологические средства защиты растений от болезней и вредителей, бактериальные удобрения. Генноинженерные вакцины, сыворотки, моноклональные антитела используют для  профилактики, диагностики и терапии  основных болезней сельскохозяйственных животных. В создании более эффективных  технологий племенного дела применяют  генноинженерный гормон роста, а  также технику трансплантации и  микроманипуляций на эмбрионах домашних животных. Для повышения продуктивности животных используют кормовой белок, полученный микробиологическим синтезом.