Трансгенные животные и микроорганизмы. Проблемы биобезопасности

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ  
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

 

 

ИНСТИТУТ ХОЛОДА И БИОТЕХНОЛОГИЙ

 

 

 

Кафедра органической, физической, биологической химии и микробиологии

 

Реферат по дисциплине «Молекулярная биотехнология» на тему

 

«Трансгенные животные и микроорганизмы. Проблемы биобезопасности»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Денисова О.В., группа 5БПП

Проверила: СкворцоваН.Н.

 

 

 

Санкт-Петербург

2012 

Оглавление

 

 

Введение

За последние 20 лет биотехнология, благодаря своим специфическим преимуществам перед другими науками, совершила решительный прорыв на промышленном уровне, что в немалой степени связано также с развитием новых методов исследований и интенсификации процессов, открывших ранее неизвестные возможности в получении биопрепаратов, способов выделения, идентификации и очистки биологически активных веществ.

Наиболее впечатляющие возможности биотехнологии открылись с внедрением в практику новейших методов, самыми перспективными из которых являются методы генной инженерии, которые позволили создать ряд принципиально новых важнейших продуктов в различных отраслях использования биотехнологии: в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицинской и фармацевтической промышленности, химии, нефтедобыче, горной переработке и др., а также в области экологической очистки окружающей природной среды и утилизации различных отходов.

В основе этих успехов лежат полученные с помощью генно-инженерных методов микроорганизмы-продуценты антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов, гормонов и др; рекомбинантные вакцинные штаммы бактерий и вирусов; трансгенные растения, трансгенные животные, вырабатывающие с молоком лекарственные вещества и др.

Проблему генетически модифицированных объектов, пищевых продуктов и лекарств, получаемых в результате развития генной инженерии, можно считать одной из особенностей современного развития человечества.

Биотехнология как наука и, особенно, её центральная часть – биоинженерия развивается быстрыми темпами во всём мире. Её достижения в больших масштабах используются во многих отраслях народного хозяйства. Вместе с тем, вмешательство учёных в структуру генома, молекул ДНК и генов вызывает серьёзное беспокойство в обществе. Проблемы безопасности биотехнологических исследований при получении генетически модифицированных организмов сегодня привлекают внимание всё более широких слоёв как научной, так и гражданской общественности.

На протяжении последнего времени тема непрекращающихся дебатов на страницах печати – преимущества, связанные с широким использованием генетически модифицированных организмов (ГМО), и потенциальный риск, обусловленный их применением.

Диапазон существующих на сегодняшний день трансгенных организмов охватывает множество сельскохозяйственных культур, животных и микроорганизмов. [1]

 

Биологическая и экологическая опасность ГМО

Биологически опасные организмы и их продукты представляют собой угрозу для существования не только человека, но и растений, животных и полезных микроорганизмов, вызывая различную степень их поражения или полную гибель, лишая человека продовольственных и других источников и возможностей существования.

Доказанные факты биологической опасности ГМО:

1. Процесс трансформации живых организмов может сопровождаться непредсказуемыми изменениями их жизнедеятельности (плейотропный эффект трансгена) и приобретением ГМО способности накапливать токсичные для человека и животных соединения.
2. Длительное употребление ГМ-продуктов, например, трансгенного картофеля, может привести к негативному воздействию на здоровье человека и животных.
3. Возможное негативное воздействие на здоровье человека и животных генов устойчивости к антибиотикам.
4. Употребление ГМ-продуктов увеличивает частоту аллергических заболеваний населения, особенно у детей.
5. Многие чужеродные белки, синтезируемые ГМ-организмами, являются аллергенами.
6. Трансгенные белки, обеспечивающие устойчивость растений к различным видам насекомых-вредителей, грибковым и бактериальным заболеваниям, обладают не только аллергенными, но и токсичными свойствами.
7. Особую опасностъ для человека представляют продукты ГМ-растений, устойчивых к гербицидам.
8. Трансгенные растения могут вызывать новые, неизвестные науке болезни.

Потенциальные экологические риски ГМО:

1. Возможность неконтролируемого распространения трансгенов в природных популяциях растений, животных и микроорганизмов.
2. Возможность негативного действия трансгенных растений, животных и микроорганизмов, содержащих гены устойчивости, на нецелевые организмы.
3. Возможность быстрого возникновения устойчивых форм сорняков и насекомых-вредителей.
4. Возможность незапланированного изменения метаболизма трансгенной клетки.
5. Возможность изменения эпидемических характеристик рекомбинантных микроорганизмов.
6. Изменение аллергенного потенциала трансгенных организмов.

В России широко обсуждаются проблемы биобезопасности в биотехнологии и биоинженерии при создании генетически модифицированных организмов. Рассматриваются различные аспекты биобезопасности при работе на генетическом, клеточном, тканевом и органном уровнях. Описаны возможные отрицательные последствия встраивания в ДНК реципиентной клетки чужеродного донорского гена. Большое внимание уделено критериям, показателям и методам оценки биобезопасности ГМО и качеству получаемых из них продуктов. Предложены способы преодоления отставания в области биотехнологии, биоинженерии и биобезопасности в России. [1]

 

Для чего используются трансгенные животные

Трансгенные животные, несущие чужеродный ген гормона роста.

Такие животные отчасти уже история трансгеноза млекопитающих. После получения гигантской трансгенной мыши делались попытки в такой же мере увеличить размеры и более крупных млекопитающих, но эти работы оказались неудачными. Животные с повышенным уровнем продукции гормона роста не увеличились в размерах, но у них наблюдались разнообразные нарушения в росте и строении костей скелета, например акромегалия. По-видимому, запас возможного увеличения размера у сельскохозяйственных животных уже был выбран предшествующей многовековой селекцией, которая велась именно на увеличение роста и веса животного. Однако эти работы сыграли свою роль для изучения функционирования чужеродного гена в организме трансгенного животного и нашли применение в создании быстрорастущих трансгенных рыб. [4]

Трансгенные организмы – биореакторы.

Биореакторами называют организмы, продуценты лекарственных белков. Биореакторами могут быть любые живые организмы – бактерии, грибы, растения, животные – и даже клеточные культуры. У каждого из таких организмов-биореакторов есть достоинства и недостатки. Бактерии, например, легко модифицируются методами генной инженерии, быстро размножаются и их удобно использовать в промышленных биотехнологических установках. Таким методом производят генноинженерный инсулин человека – в настоящее время наиболее качественный из получаемых промышленным способом инсулинов.[4]

В настоящее время созданы трансгенные коровы, способные продуцировать рекомбинантные полипептиды, которые остаются внутри клеток или секретируются внеклеточно, а также коровы, продуцирующие в молоке такие рекомбинантные полипептиды, как белки женского молока и сывороточные белки. Кроме того, данное открытие позволяет получать от трансгенных коров молоко, содержащее рекомбинантные полипептиды, и создавать пищевые составы с добавкой таких полипептидов, например детское питание с добавкой человеческого лактоферрина.

Особо актуальным является создание животных, способных продуцировать несвойственные их виду белки. Так, например, есть разработки, направленные на получение свиней, способных продуцировать интерферон человека, потребности в котором в современной медицине достаточно велики. Другим примерам являются коровы или козы, способные продуцировать молоко с лактоферрином человека (не входящим в состав обычного коровьего или козьего молока), использующееся при искусственно вскармливании младенцев [3].

Создание животных – генетических моделей наследственных заболеваний человека.

Многие болезни имеют наследственные причины. И это касается не только моногенных заболеваний, происходящих из-за мутации в каком-нибудь одном определенном гене. Часто причиной заболевания является целый комплекс нарушений генома: присутствие аллелей, определяющих склонность к заболеванию, гиперфункция каких-либо генов из-за наличия дополнительных копий этого гена или нарушений в его регуляции и по многим другим, но генетически предопределенным причинам. К этой группе относятся большая часть заболеваний сердечнососудистой и нервной систем, многие эндокринные заболевания. Часто трудно установить конкретную причину заболевания, соотнести обнаруженные у пациента генетические дефекты с его анамнезом. В последние время для решения этих вопросов все чаще привлекаются трансгенные модели наследственных заболеваний человека.

После того как обнаружен ген, предположительно ответственный за данное заболевание, могут быть созданы два типа модельных животных: мыши с функционирующим трансгеном и мыши с потерей функции данного гена. Первый тип – это классические трансгенные мыши, в геном которых введен ген человека, ответственный за конкретное заболевание. Если предрасположенность к заболеванию зависит от наличия в геноме одного из аллелей, то для проверки этой гипотезы создаются линии трансгенных мышей, несущих разные аллели данного гена. На этих моделях можно исследовать влияние количества копий гена и уровня его экспрессии на проявление заболевания, а также разрабатывать новые методы лечения. Второй тип модельных животных – это мыши, у которых выключен ген, аналогичный тому, который вызывает данное заболевание у человека. На этой модели исследуют конкретные функции генов, что особенно важно для анализа причин мультигенных заболеваний.[4]

Разработка методов генной терапии на основе изучения трансгенных животных.

На первый взгляд кажется, что слова “терапия” и “трансгенные технологии” несовместимы. К любому вмешательству в геном человека нужно подходить с гораздо большей осторожностью, чем к вмешательству в геном других видов животных и растений, но существуют ситуации, когда именно такие методы могут спасти больного. Одна из таких ситуаций – раковое заболевание. Надежды на излечения больных от СПИДа также связывают с генной терапией. При этом используется соматическая трансфекция – метод, когда генетические конструкции вводятся в определенные клетки и ткани организма пациента. В1999 году был опубликован обзор по этой тематике [2]. А по данным Американской ассоциации здравоохранения за 1999 год только в США до клинических испытаний было допущено около 200 генотерапевтических разработок. Как и все другие методы лечения, генотерапевтические методы разрабатываются и проходят испытания на модельных трансгенных животных.[4]

 

Современная биотехнология микроорганизмов

Сейчас прикладная промышленная микробиология развивается по нескольким основным направлениям: 1) производство продуктов биосинтеза трансгенных микроорганизмов, например, антибиотиков, гормонов, ферментов и витаминов; 2) использование биомассы микроорганизмов – производство медицинских вакцин, различных дрожжей, белково-витаминных концентратов и заквасок для получения кисломолочных продуктов и силосования кормов; 3) биотехнологии, основанные на уникальных способностях некоторых бактерий производить органические кислоты, этанол, углеводы и метан. Сюда же можно отнести и переработку некоторых отходов с возможностью получения полезных соединений, в первую очередь, горючих газов. Рассмотрим каждое из этих направлений подробнее. [2]

Использование трансгенных микроорганизмов в медицине

В настоящее время биотехнология на основе использования трансгенных микроорганизмов предлагает новые подходы к разработке и производству лекарственных, диагностических и профилактических лекарственных препаратов, а также позволяет производить в достаточных количествах широкий спектр лекарственных средств, которые раньше были малодоступны.

К самому большому классу лекарств, получаемых путем микробного синтеза, относятся антибиотики. По разнообразию и показаниям к применению они занимают первое место среди продукции мировой фармацевтической промышленности. Сегодня известно более 6000 видов антибиотиков, более 100 из которых находят применение в медицинской практике, в том числе при лечении таких тяжелых заболеваний, как туберкулез, менингит, плеврит, пневмония. Отдельные антибиотики применяют при лечении онкозаболеваний. Объем мирового рынка антибиотиков увеличивается в последнее время на 10–20% в год и составляет более 23 млрд долларов.

Вторым классом лекарственных препаратов, производимых биотехнологическим путем, являются гормоны. В медицинских целях применяются два основных типа гормонов, различающихся по молекулярному строению: стероидные и пептидные. Среди стероидных гормонов можно выделить кортизон и преднизолон, которые широко применяют при лечении различных аллергических заболеваний, в том числе такого тяжелого, как бронхиальная астма, а также ревматоидного артрита и других недугов.

Другой обширной группой стероидов являются половые гормоны, такие как эстроген, широко применяемые для оральной контрацепции и лечения ряда заболеваний. Пептидные гормоны сейчас практически целиком производятся путем синтеза с помощью генетически модифицированных микроорганизмов. Сюда можно отнести уже упоминавшийся инсулин, а также такие антивирусные, антиопухолевые и иммуномодулирующие агенты как интерфероны и интерлейкины. Особое место среди лекарственных средств занимают ферменты. Как и пептидные гормоны, они имеют белковую природу, то есть состоят из аминокислот. Это вызывает значительные трудности для их получения традиционным фармацевтическим путем – химическим синтезом.