ВВЕДЕНИЕ

     Центральная проблема биологии – это управление жизнью, основанное на позиции ее сущности. Главная цель биологии – решение  практических задач сельского хозяйства, медицины и управление эволюцией  жизни. Задача состоит в создании условий для резкого подъёма продуктивности растений, животных и микроорганизмов; в овладении способами борьбы за здоровье, долголетие, длительную юность человека; в разработке методов управления генетическими процессами, лежащими в основе эволюции видов; в решении проблем, связанных с широким использованием атомной энергии, с химизацией на родного хозяйства, с полётами космических кораблей. Решение этих задач идет по тернистым тропам науки. Ещё много неожиданных, ломающих наши обычные представления открытий предстоит сделать ученым. Эта работа будет идти в гармоническом единстве с практикой, с глубоким развитием прикладных биологических наук.

     Наука не только решает задачи, которые ставит перед собой сегодняшний день, но и подготовляет завтрашний день техники, медицины, сельского хозяйства, межзвездных полётов, покорения  природы. Одна из самых перспективных  наук – генетика, изучающая явления  наследственности и изменчивости организмов. Наследственность – одно из коренных свойств жизни, она определяет воспроизведение форм в каждом последующем поколении. И если мы хотим научиться управлять развитием жизненных форм, образованием полезных для нас и устранением вредных, - мы должны понять сущность наследственности и причины появления новых наследственных свойств у организмов.

1.ГЕННАЯ  ИНЖЕНЕРИЯ

     Генная  инженерия возникает в 70-е гг. как новая отрасль молекулярной биологии, главная задача которой – активная и целенаправленная перестройка генов живых существ, их конструирование, то есть управление наследственностью.

     Генная  инженерия — это метод биотехнологии, который занимается исследованиями по перестройке генотипов. Генотип  является не просто механическая сумма  генов, а сложная, сложившаяся в  процессе эволюции организмов система. Генная инженерия позволяет путем  операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в  другой. Перенос генов дает возможность  преодолевать межвидовые барьеры и  передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим.

     Носителями  материальных основ генов служат хромосомы, в состав которых входят ДНК и белки. Но гены образования  не химические, а функциональные. С  функциональной точки зрения ДНК  состоит из множества блоков, хранящих определенный объем информации —  генов. В основе действия гена лежат  его способность через посредство РНК определять синтез белков. В  молекуле ДНК как бы записана информация, определяющая химическую структуру  белковых молекул. Ген — участок  молекулы ДНК, в котором находится  информация о первичной структуре  какого-либо одного белка (один ген  — один белок). Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов. Совокупность всех генов клетки составляет ее геном. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная  часть хранимой информации. Поэтому, например, нервные клетки и по структурно-функциональным, и по биологическим особенностям отличаются от клеток печени[5].

     Перестройка генотипов, при выполнении задач  генной инженерии, представляет собой  качественные изменения генов не связанные с видимыми в микроскопе изменениями строения хромосом. Изменения  генов прежде всего связано с преобразованием химической структуры ДНК. Информация о структуре белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов, реализуется в виде последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и включение других нуклеотидов меняют состав образующихся на ДНК молекулы РНК, а это, в свою очередь, обуславливает новую последовательность аминокислот при синтезе. В результате в клетке начинает синтезироваться новый белок, что приводит к появлению у организма новых свойств. Сущность методов генной инженерии заключается в том, что в генотип организма встраиваются или исключаются из него отдельные гены или группы генов. В результате встраивания в генотип ранее отсутствующего гена можно заставить клетку синтезировать белки, которые ранее она не синтезировала.

     Наиболее  распространенным методом генной инженерии  является метод получения рекомбинантных, т.е. содержащих чужеродный ген, плазмид. Плазмиды представляют собой кольцевые двухцепочные молекулы ДНК, состоящие из нескольких тысяч пар нуклеотидов. Этот процесс состоит из нескольких этапов[3]:

1. Рестрикция — разрезание ДНК, например, человека на фрагменты.
2. Легирование — фрагмент с нужным геном включают в плазмиды и сшивают их.
3. Трансформация —введение рекомбинантных плазмид в бактериальные клетки. Трансформированные бактерии при этом приобретают определенные свойства. Каждая из трансформированных бактерий размножается и образует колонию из многих тысяч потомков — клон.
4. Скрининг — отбор среди клонов трансформированных бактерий тех, которые плазмиды, несущие нужный ген человека.

     Весь  этот процесс называется клонированием. С помощью клонирования можно  получить более миллиона копий любого фрагмента ДНК человека или другого  организма. Если клонированный фрагмент кодирует белок, то экспериментально можно  изучить механизм, регулирующий транскрипцию этого гена, а также наработать этот белок в нужном количестве. Кроме того, клонированный фрагмент ДНК одного организма можно ввести в клетки другого организма. Этим можно добиться, например, высокие и устойчивые урожаи благодаря введенному гену, обеспечивающему устойчивость к ряду болезней. Если ввести в генотип почвенных бактерий гены других бактерий, обладающих способностью связывать атмосферный азот, то почвенные бактерии смогут переводить этот азот в связанный азот почвы. Введя в генотип бактерии кишечной палочки ген из генотипа человека, контролирующий синтез инсулина, ученые добились получения инсулина при посредстве такой кишечной палочки. При дальнейшем развитии науки станет возможным введение в зародыш человека недостающих генов, и тем самым позволит избежать генетических болезней.

     Эксперименты  по клонированию животных ведутся давно. Достаточно убрать из яйцеклетки ядро, имплантировать в нее ядро другой клетки, взятой из эмбриональной ткани, и вырастить ее — либо в пробирке, либо в чреве приемной матери. Клонированная  овечка Доли была создана нетрадиционным путем. Ядро из клетки вымени 6-летней взрослой овцы одной породы пересадили в безъядерное  яйцо овцы другой породы. Развивающийся  зародыш поместили в овцу третей породы. Так как родившаяся овечка получила все гены от первой овцы —  донора, то является ее точной генетической копией. Этот эксперимент открывает  массу новых возможностей для  клонирования элитных пород, взамен многолетней селекции.

     Ученые  Техасского университета смогли продлить жизнь нескольких типов человеческих клеток. Обычно клетка умирает, пережив  около 7-10 процессов деления, а они  добились сто делений клетки. Старение, по мнению ученых, происходит из-за того, что клетки при каждом делении  теряют теломеры, молекулярные структуры, которые располагаются на концах всех хромосом. Ученые имплантировали в клетки открытый ими ген, отвечающий за выработку теломеразы и тем самым сделали их бессмертными. Возможно это будущий путь к бессмертию[1].

     Еще с 80-х годов появились программы  по изучению генома человека. В процессе выполнения этих программ уже прочитано  около 5 тысяч генов (полный геном  человека содержит 50-100 тысяч). Обнаружен  ряд новых генов человека. Генная инженерия приобретает все большее  значение в генотерапии. Потому, что многие болезни заложены на генетическом уровне. Именно в геноме заложена предрасположенность ко многим болезням или стойкость к ним. Многие ученые считают, что в XXI веке будет функционировать геномная медицина и генная инженерия.

1.1 Генетическая информация

     Генетическая  информация записана последовательностью  нуклеотидов молекул нуклеиновых  кислот (ДНК, у некоторых вирусов  также РНК). Содержит сведения о строении всех (около 10 000)ферментов, структурных  белков и РНК клетки, а также  о регуляции их синтеза. Информация о свойствах организма, которая передается по наследству. Генетическая информация записана последовательностью нуклеотидов молекул нуклеиновых кислот (ДНК, у некоторых вирусов также РНК). Содержит сведения о строении всех (около 10 000) ферментов, структурных белков и РНК клетки, а также о регуляции их синтеза. Считывают генетическую информацию разные ферментные комплексы клетки. Один из таких комплексов - аппарат трансляции, состоит из более чем 200 разных макромолекул ( даже у такого сравнительно простого организма, как кишечная палочка). Генетическая информация, которая считывается в процессе трансляции, складывается из значений триплетов генетического кода и включает знаки начало и окончания белкового синтеза. Другие составляющие генетической информации считываются аппаратами репликации, транскрипции, а также аппаратами иных процессов, оперирующих молекулами, нуклеиновых кислот (таких, как репарация, рестрикация, модефикация, рекомендация, сеграция) и разными регуляторными белками. У многоклеточных организмов при половом размножении генетическая информация передается из поколения в поколение через посредство половых клеток у прокариотичных микроорганизмов имеются особые типы передачи генетической информации - трансдукция, трансформация[4].

     Итак, обладая генетической информацией  можно построить карты хромосом с нанесением на них порядка расположения генов, что успешно осуществил Томас  Гент Морган (1866-1945) тщательно изучив явление сцепления и перекреста, происходящего между гомологичными  хромосомами и осуществляющего  рекомбинацию генов. 

1.2 Генетическая карта

     Генетическая  карта хромосомы - схема взаимного  расположения генов, находящихся в  одной группе сцепления. Для составления  генетических карт хромосом необходимо выявление множество мутантных  генов и проведения многочисленных скрещиваний. Расстояние между генами на генетической карте хромосом определяют по чистоте кроссинговера между  ними. Единицей расстояния генетической карте хромосом мейотически делящихся клеток является морганида, соответствующая одному проценту кроссинговера. Для построения генетической карты хромосомы эукариот (наиболее подробная генетические карты составлены для дрозофилы, у которой изучено более тысячи мутантных генов, а также для кукурузы, имеющей в десяти группах сцепления с выше четырехсот генов) используют меотический и митотический кроссинговер. Сравнение генетических карт хромосом, построенных разными методами у одного и того же вида, выявляет одинаковый порядок расположение генов, хотя расстояние между конкретными генами на мейотических и митотических генетических картах хромосом могут различаться. В норме генетические карты хромосом у эукариот линейные, однако, например, при построении генетических карт хромосом у гетерозигот по транслакации получается генетическая карта хромосом в виде креста. Это указывает на то, что форма карт отражает характер конъюгации хромосом. У прокариот и вирусов генетические карты хромосом также строят с помощью рекомбинации. При картировании генов у бактерий с помощью конъюгации получается кольцевая генетическая карта хромосомы. Значение генетических карт позволяет планировать работу по получению организмов с определенными сочетаниями признаков, что используется в генетических экспериментах селекционной практике. Сравнение генетических карт хромосом разных видов способствует эволюционному процессу. На основе же генетических карт проводят генетический анализ[2]. 

1.3 Генетический анализ

     Генетический  анализ - это совокупность методов исследований наследственных свойств организма (его генотипа), поскольку анализ элементов генотипа (групп сцепления, генов и внутригенных структур) осуществляется, как правило, опосредованно, через признаки, генетический анализ является по существу анализом признаков, контролируемых теми или иными элементами генотипа. В зависимости от задачи и особенностей изучаемого объекта генетический анализ проводят на популяционном, организменном, клеточном и молекулярном уровнях.

     К основным методам генетического  анализа относятся:

     Селекционный  метод, с помощью которого осуществляют подбор или создание исходного материала, подвергающегося дальнейшему анализу (например,. Г. Мендель , который по существу является основоположником генетического анализа);[4]

     Гибридологический метод, представляющий собой систему  специальных скрещиваний и учетов их результатов;

     Цитогенетический  метод, заключающийся в цитологическом анализе генетических структур и явлений на основе гибридологического анализа с целью сопоставления генетических явлений со структурой и поведением хромосом и их участков (анализ хромосомных и геномных мутаций, построение цитологических карт хромосом ,цитохимическое изучение активности генов). Частный случай цитогенетического метода – геномный анализ. На основе популяционного метода изучают генетическую структуру популяций различных организмов: количественно оценивают распределение особей разных генотипов в популяции, анализируют динамику генетической структуры популяций под действием различных факторов (при этом используют создание модельных популяций).

     Молекулярно-генетический метод представляет собой биохимическое  и физико-химическое изучение структуры  и функции генетического материала  и направлен на выяснение этапов пути «ген – признак» и механизмов взаимодействия различных молекул  на этом пути.

     Мутационный метод позволяет (на основе всестороннего  анализа мутации) установить особенности, закономерности и механизмы мутагенеза помогает в изучении структуры и  функции генов . Особое значение мутационный метод приобретает при работе с организмами, размножающимися бесполым путем и в генетике человека, где возможности гибридологического анализа крайне затруднены.

     Близнецовый метод, заключающийся в анализе  и сравнении изменчивости признаков  в пределах различных групп близнецов, позволяет оценить относительную  роль генотипа и внешних условий наблюдаемой изменчивости. Особенно важен этот метод при работе с малоплодовитыми организмами, имеющими поздние сроки наступления половой зрелости (например, крупный рогатый скот), а так же в генетике человека. В генетическом анализе используют и многие другие методы, позволяющие комплексно изучать генетический материал.

     Генетический  анализ является исходным и необходимым  этапом на пути к генетическому синтезу (получению организмов с заданными свойствами), в том числе методами генетической инженерии.