Биотехнология. Генная инженерия

Кириленко В.Н.

Биотехнология. Генная инженерия.

Фестиваль популярной науки

«Дни науки»

Валентина Николаевна Кириленкова

Биотехнология. Генная инженерия.

Смирнова Л.Н.

Заслуженный учитель РФ, доцент кафедры математики Московского института открытого образования, начальник отдела командных олимпиад МЦНМО и заместитель директора по экспериментам, учитель математики московской школы № 218, Отличник народного просвещения.

с. Покровское

2010

Задолго до введения термина «биотехнологии», наши предки использовали микроорганизмы в процессах брожения при хлебопечении, сыроделии, в приготовлении молочнокислых продуктов, алкогольных напитков и др. Начиная с 60-х годов ХХ столетия у человечества быстро накапливались знания в области генетики и молекулярной биологии, что привело к появлению новых проектов и новых возможностей практического использования биотехнологии. За последние два десятилетия она стала скорее научной дисциплиной, чем технической отраслью.

Благодаря биотехнологиям человечество научилось получать:

     инсулин человека

     гормон роста человека

     вакцину против гепатита В

     и много другое

Биотехнология является новым направлением в современной биологии. Здесь используются живые организмы (или их составные части) и биологические процессы в промышленном производстве на основе достижений молекулярной биологии и молекулярной генетики.

Этапы становления биотехнологии:

1953 Двойственная спиральная структура ДНК

1971 Ферменты рестрикции

1975 Получения моноклональных антител

1977 Первый клонированный ген человека

1982 Рекомбинатный инсулин человека

1986 Разработка ПЦР

1990 Первая попытка генной терапии человека

1996 Секвенирование генома дрожжей

1997 Первое клонированное млекопитающее

2000 Секвенирование генома человека

Основы биотехнологии

Микробиологический синтез                                                                             Клеточная инженерия

Хромосомная инженерия            Генная инженерия

В микробиологической промышленности производственные процессы базируются на микробиологическом синтезе, т.е. синтезе ценных для человека продуктов благодаря использованию микроорганизмов. В результате микробиологического синтеза получают белково-витаминные добавки, аминокислоты, ферментные препараты, антибиотики, бактериальные удобрения и многое другое.

На предприятиях микробиологической промышленности микроорганизмы содержатся в специальных резервуарах – биореакторах, где поддерживаются оптимальные для их жизнедеятельности условия. Для каждого вида  микроорганизмов подбирают специальную смесь простых и дешевых питательных веществ. Обычно им «скармливают» сахаросодержащие отходы сельскохозяйственной продукции или сточные воды целлюлозно-бумажных комбинатов. Так, плесневые грибы хорошо растут и быстро размножаются на кукурузном экстракте, который остается при получении крахмала.

Клеточная инженерия базируется на конструировании новых клеток путем их гибридизации, реконструкции, культивировании.

Культивирование отдельных клеток или тканей (в основном растительных) осуществляется на искусственных питательных средах. Питательная среда содержит аминокислоты, глюкозу, минеральные соли, гормоны, другие вещества. Отдельные клетки растений помещают в питательную среду, где они растут. Этот прием используют для быстрого и дешевого получения  ценных веществ.  Например, культура клеток женьшеня продуцирует биологически активные вещества такие же, как целое растение.

Клонирование – выращивание  генетически однородного потомства (клона). Вначале получают незараженный посадочный материал, например, клубни картофеля или усы земляники, затем его размножают. При обычном вегетативном размножении у этих растений из поколения в поколение накапливаются различные болезни, что снижает урожайность.

Клонирование эмбрионов животных было впервые открыто в опытах на земноводных в начале 50-х годов ХХ века. И только в 90-х годах была решена проблема клонирования эмбриональных клеток млекопитающих.

В 1996 году в Шотландии впервые получено животное (овца Долли) в результате использования донорского ядра клетки молочной железы от взрослой овцы. Ядро клетки молочной железы поместили в яйцеклетку другой овцы, предварительно освободив ее от собственного ядра. В матке третьей овцы (так называемой суррогатной матери) гибридная яйцеклетка сформировалась в целостный организм.

В настоящее время клеточная инженерия широко применяется в научных экспериментах на млекопитающих.

Использование метода гибридизации по отношению к клеточным структурам дает возможность получать отдаленные гибриды, когда гибридизация половым путем невозможна. С этой целью разработаны приемы объединения хромосомных наборов соматических клеток, взятых от разных организмов. Из гибридных клеток затем выращивают целостный организм. Таким путем уже получены гибриды яблони и вишни, картофеля и томата.

Клеточная реконструкция связана с созданием жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток: ядра, цитоплазмы, хромосом, митохондрий и т. д.

Ранее инсулин выделялся из поджелудочной железы коров и свиней. Но последовательность аминокислот в бычьем или вином инсулине отличается от последовательности аминокислот человека. У некоторых диабетиков вырабатывались антитела против инсулина животных, что вызывало серьезную иммунологическую реакцию. (рис. 1) Встал вопрос о решении данной проблемы и в 1972 году П. Берг получил рекомбинантную ДНК. Рекомбенантный ДНК — ДНК, полученная путем соединения сегментов ДНК из различных источников (например, для производства человеческого инсулина соединили бактериальную ДНК и ДНК человека). В 1980 году П. Бергеру присудили за его открытие Нобелевскую премию. Рекомбенантный ДНК является первым разрешенным продуктом рДНК-технологий с 1982 года. Инсулин человека (Humulin®) устранил нежелательный иммунный ответ на инсулин животных. С тех пор животные более не использовались для получения инсулина.

Для получения рекомбинантной ДНК берется носитель ДНК — плазмида бактерии. Плазмида бактерии — это внехромосомная, независимо реплицирующая, небольшая кольцевая молекула ДНК (рис. 2). ДНК обрабатывается ферментом (рестриктазой) (рис. 3). Также берется у прокариот плазмидная ДНК и обрабатывается рестриктазой (рис. 4) Затем происходит следующее: ДНК смешиваются, добавляется ДНК-лигаза — сшиватель, который и обеспечивает данное соединение (рис. 5). Т. о. получаем трансформированный наследственный материал бактерий. Рис Каждая бактерия несет рекомбинантные плазмиды. В дальнейшем их клонируют, для получения большего количества, и, тем самым, на выходе имеем множество молекул рДНК.

Применение рДНК:

Работа над обработкой сан-технических сооружений, сточных вод

Работа в медицине с гормоном роста человека

Рассмотрим несколько вариантов применения рДНК.

Гормон роста человека (ГРЧ).

Важным регулятором роста человека является гормон роста человека, который вырабатывается гипофизом. Дети с врожденным дефицитом гормона роста остаются карликами. В течении жизни приходится проводить регулярные инъекции ГР в процессе чего нормализуется рост человека.

В прежние времена гормон роста человека получали из головного мозга овец. В среднем, для получения 5 мг гормона требовалось 500 тыс. овец. Сейчас небольшая численность бактерий за 15 часов достигает миллиарда и для получения 5 мг гормона требуется всего 1 литр этих рекомбинантных бактерий.

Говоря о биотехнологии, нельзя не отметить моноклональные антитела и лечения различных форм рака молочной железы. Herceptin является первым моноклональным антителом с человеческой идоспецифичностью для лечения метастазированных форм рака молочной железы. Это открытие относят к сентябрю 1998 года. Этот препарат действует только на агрессивно размножающиеся клетки, обладающие сверх экспрессией рецепторов HER2 (рецепторы эпителиального фактора). Механизм действия моноклонального вещества, который проходит по принципу:

1.антитело находит раковую клетку-мешень

2.ввод лекарства, которое прикреплено к моноклональному антителу, не отравляя се тело, а только раковую клетку  

Поговорим теперь о проекте «Геном человека». Этот проект завершился в 2003 году, работа над проектом продолжалась 13 лет. Координатором проекта стал Департамент Энергетики и Национального Института Здоровья США совместно с Великобританией, соисполнителями также являлись Япония, Франция, Германия, Китай, Россия и др. Удалось частично расшифровать геном человека и составить генную карту 13 и 31 хромосом, определить локализацию генов, связанных с наследственными болезнями. На (рис) показаны те заболевания, которые несутся генами 13 и 21 хромосом.

Интересные работы ведутся по созданию трансгенных животных, которые могут давать определенные продукты. Например, в Псковской области выращивают трансгенных коз, которые дают молоко, насыщенное белками для лечения людей.

Успехи в биотехнологии открывают неограниченные возможности в различных сферах:

1.    микробиологии

2.    здравоохранении

3.    сельском хозяйстве

4.    промышленности

5.    охране природы

На сегоднешний день можно сказать, что рекомбинантная ДНК — позволила заявить о многочисленных проектах, включая например:

    получение высокоурожайных, устойчивых к различным болезням, зерновых культур с улучшенными питательными свойствами

    генетическое конструирование организмов, способных разлагать вещества, загрязняющие окружающую среду.

Биотехнология – технология развития общества ХХI столетия, связана с огромным ростом биотехнологической индустрии, открывающая неограниченные возможности для дипломированных специалистов. Дипломированные специалисты работаеют в

1. фармацевтических компаниях

2.клиниках (диагностика)

3.медицинских лабораториях

   микробиологии, гематологии

   биовосстановления окружающей среды

   иммунологии

   судебной экспертизы

   создания новых культур

   молекулярной биологии и белковой инженерии (инсулин, ферментативное производство)

4.отраслях сельскохозяйственной индустрии (животноводство, ветеринария, растения и животные)

5.в пищевой промышленности (виноделие, молочные продукты)

И все же массовое распространение измененных методами генной инженерии сортов и пород сельскохозяйственных растений  и животных таит в себе некоторые опасности. Появление генетически измененных животных и растений в природных экосистемах может нарушить сложившееся равновесие. Теоретически возможен, хотя и маловероятен, перенос генетического материала от новосозданных генно-инженерными методами организмов к другим животным и растениям с непредсказуемыми последствиями. Наконец, вытеснение традиционных сортов и пород генно-инженерными может поставить сельское хозяйство в полную зависимость от фирмы–производителя: искусственные организмы очень легко сделать невоспроизводящимися, и тогда невозможно обойтись без постоянной закупки посевного материала или нового молодняка.

              4              elementy.ru