1. אפשרויות של הנדסה גנטית. 4

2. היסטוריה של הנדסה גנטית. 6

3. הנדסה גנטית כמדע. שיטות של הנדסה גנטית. 10

4. תחומי יישום של הנדסה גנטית. 12

5. עובדות מדעיות על הסכנות שבהנדסה גנטית. 18

סיכום. 22

הפניות.. 23

מבוא

נושא ההנדסה הגנטית הפך פופולרי יותר ויותר בשנים האחרונות. עיקר תשומת הלב מוקדשת להשלכות השליליות שהתפתחות ענף מדע זה יכול להוביל אליהן, והיתרונות שהנדסה גנטית יכולה להביא במידה מועטה מאוד מכוסים.

תחום היישום המבטיח ביותר הוא ייצור תרופות באמצעות טכנולוגיות הנדסה גנטית. לאחרונה, ניתן להשיג חיסונים שימושיים המבוססים על צמחים מהונדסים. מעניין לא פחות הוא ייצור מוצרי מזון תוך שימוש בכל אותן טכנולוגיות.

הנדסה גנטית היא מדע העתיד. נכון לעכשיו, מיליוני הקטרים ​​של אדמה בכל רחבי העולם נזרעים בצמחים מהונדסים, נוצרים תרופות ייחודיות ויצרנים חדשים של חומרים שימושיים. עם הזמן, הנדסה גנטית תאפשר התקדמות חדשה ברפואה, חקלאות, עיבוד מזון וגידול בעלי חיים.

מטרת עבודה זו היא ללמוד את תכונות האפשרות, את ההיסטוריה של הפיתוח ואת היקף ההנדסה הגנטית.

1. אפשרויות של הנדסה גנטית

מרכיב חשוב בביוטכנולוגיה הוא הנדסה גנטית. נולדה בתחילת שנות ה-70, היא זכתה להצלחה גדולה היום. טכניקות הנדסה גנטית הופכות חיידקים, שמרים ותאי יונקים ל"מפעלים" לייצור בקנה מידה גדול של כל חלבון. זה מאפשר לנתח בפירוט את המבנה והתפקודים של חלבונים ולהשתמש בהם כתרופות. נכון לעכשיו, Escherichia coli (E. coli) הפכה לספקית של הורמונים חשובים כמו אינסולין וסומטוטרופין. בעבר, אינסולין התקבל מתאי הלבלב של בעלי חיים, כך שהעלות הייתה גבוהה מאוד. כדי להשיג 100 גרם אינסולין גבישי, נדרשים 800-1000 ק"ג לבלב, ובלוטה אחת של פרה שוקלת 200-250 גרם. זה הפך את האינסולין ליקר וקשה לגישה עבור מגוון רחב של חולי סוכרת. בשנת 1978, חוקרים ב-Genentech הכינו את האינסולין הראשון בזן שהונדס במיוחד של Escherichia coli. אינסולין מורכב משתי שרשראות פוליפפטידים A ו-B, באורך 20 ו-30 חומצות אמינו. כאשר הם מחוברים בקשרים דיסולפידים, נוצר אינסולין דו-שרשרת מקורי. הוכח שהוא נקי מחלבוני E. coli, אנדוטוקסינים וזיהומים אחרים, אין לו תופעות לוואי כמו אינסולין מן החי, ואין לו פעילות ביולוגית.

שונה. לאחר מכן, פרואינסולין סונתז בתאי E. coli, שעבורם סונתז עותק DNA על תבנית ה-RNA באמצעות transcriptase הפוכה. לאחר טיהור הפרואינסולין שהתקבל, הוא פוצל והושג אינסולין מקורי, בעוד שלבי המיצוי והבידוד של ההורמון צומצמו למינימום. מ-1000 ליטר נוזל תרבית ניתן לקבל עד 200 גרם מההורמון, השווה לכמות האינסולין המופרשת מ-1600 ק"ג מהלבלב של חזיר או פרה.

סומטוטרופין הוא הורמון גדילה אנושי המופרש מבלוטת יותרת המוח. היעדר הורמון זה מוביל לגמדות יותרת המוח. אם סומטוטרופין ניתן במינונים של 10 מ"ג לק"ג משקל גוף שלוש פעמים בשבוע, אזי בעוד שנה ילד הסובל מהמחסור בו יכול לגדול ב-6 ס"מ. המוצר התרופות הסופי. לפיכך, כמויות ההורמון הזמינות היו מוגבלות, יתרה מכך, ההורמון שנוצר בשיטה זו היה הטרוגני ויכול להכיל וירוסים המתפתחים לאט. חברת "Genentec" פיתחה בשנת 1980 טכנולוגיה לייצור הורמון גדילה בעזרת חיידקים, אשר הייתה נטולת חסרונות אלו. בשנת 1982 התקבל הורמון גדילה אנושי בתרבית של E. coli ותאי בעלי חיים במכון פסטר בצרפת, ומאז 1984 החל ייצור תעשייתי של אינסולין בברית המועצות. בייצור אינטרפרון משתמשים גם ב-E. coli, S. cerevisae (שמרים), וגם בתרבית של פיברובלסטים או לויקוציטים שעברו טרנספורמציה. גם חיסונים בטוחים וזולים מתקבלים בשיטות דומות.

ייצור בדיקות DNA ספציפיות ביותר מבוסס על טכנולוגיית ה-DNA הרקומביננטי, בעזרתה הם חוקרים את ביטוי הגנים ברקמות, לוקליזציה של גנים בכרומוזומים ומזהים גנים בעלי תפקידים קשורים (למשל בבני אדם ובתרנגולות ). בדיקות DNA משמשות גם לאבחון של מחלות שונות.

טכנולוגיית DNA רקומביננטי אפשרה גישת חלבון-גן לא קונבנציונלית הנקראת גנטיקה הפוכה. בגישה זו, חלבון מבודד מהתא, הגן של חלבון זה משובט, והוא משתנה, יוצר גן מוטנטי המקודד לצורה שונה של החלבון. הגן שנוצר מוחדר לתא. אם הוא מתבטא, התא הנושא אותו וצאצאיו יסנתז את החלבון שהשתנה. כך ניתן לתקן גנים פגומים ולטפל במחלות תורשתיות.

אם ה-DNA ההיברידי מוכנס לביצית מופרית, ניתן להשיג אורגניזמים מהונדסים המבטאים את הגן המוטנטי ומעבירים אותו לצאצאים. הטרנספורמציה הגנטית של בעלי חיים מאפשרת לקבוע את תפקידם של גנים בודדים ומוצרי החלבון שלהם הן בוויסות הפעילות של גנים אחרים והן בתהליכים פתולוגיים שונים. בעזרת הנדסה גנטית נוצרו קווים של בעלי חיים עמידים למחלות ויראליות, כמו גם גזעי בעלי חיים בעלי תכונות שימושיות לבני אדם. לדוגמה, הזרקת מיקרו של DNA רקומביננטי המכיל את הגן סומטוטרופין בקר לתוך זיגוטה של ​​ארנב אפשרה להשיג בעל חיים מהונדס עם ייצור יתר של הורמון זה. החיות שהתקבלו הביאו אקרומגליה.

הנשאים של היסודות החומריים של הגנים הם כרומוזומים, הכוללים DNA וחלבונים. אבל הגנים של היווצרות אינם כימיים, אלא פונקציונליים. מנקודת מבט תפקודית, ה-DNA מורכב מבלוקים רבים המאחסנים כמות מסוימת של מידע – גנים. פעולתו של גן מבוססת על יכולתו לקבוע סינתזת חלבון באמצעות RNA. במולקולת ה-DNA, כביכול, נרשם מידע הקובע את המבנה הכימי של מולקולות החלבון. גן הוא קטע של מולקולת DNA המכיל מידע על המבנה הראשוני של חלבון בודד (גן אחד - חלבון אחד). מכיוון שיש עשרות אלפי חלבונים באורגניזמים, יש גם עשרות אלפי גנים. המכלול של כל הגנים של התא מהווה את הגנום שלו. כל תאי הגוף מכילים את אותה קבוצה של גנים, אך כל אחד מהם מיישם חלק אחר מהמידע המאוחסן. לכן, למשל, תאי עצב שונים מתאי כבד הן בתכונות המבניות והן בתכונות הפונקציונליות והביולוגיות.

כעת, אפילו קשה לחזות את כל ההזדמנויות שיתממשו בעשורים הקרובים.

2. היסטוריה של הנדסה גנטית

ההיסטוריה של טכנולוגיות ביו-רפואיות גבוהות, שיטות מחקר גנטיות, כמו גם ההנדסה הגנטית עצמה, קשורה ישירות לרצון האנושי הנצחי לשפר את גזעי חיות הבית והצמחים התרבותיים. על ידי בחירת פרטים מסוימים מקבוצות של בעלי חיים וצמחים והצלבתם זה עם זה, אדם, ללא מושג נכון על המהות הפנימית של התהליכים שהתרחשו בתוך יצורים חיים, בכל זאת, במשך מאות ואלפי שנים רבות. יצרו גזעים משופרים של בעלי חיים וזני צמחים בעלי תכונות שימושיות והכרחיות מסוימות עבור אנשים.

במאות ה-18 וה-19 נעשו ניסיונות רבים לברר כיצד מועברים סימנים מדור לדור. תגלית חשובה אחת התגלתה ב-1760 על ידי הבוטנאי קלרויטר, שחצה שני סוגי טבק על ידי העברת אבקנים מסוג אבקן אחד לסוג אחר של פיסטיל. לצמחים שהתקבלו מזרעים היברידיים היו תכונות ביניים בין אלה של שני ההורים. קלררייטר הסיק מכך באופן הגיוני שתכונות הוריות מועברות הן דרך אבקה (תאי זרעים) והן דרך ביציות (ביציות). עם זאת, לא הוא ולא בני דורו, שעסקו בהכלאה של צמחים ובעלי חיים, לא הצליחו לחשוף את טיבו של מנגנון העברת התורשה. זה נובע בחלקו מהעובדה שבאותה תקופה הבסיס הציטולוגי של מנגנון זה עדיין לא היה ידוע, אלא בעיקר מהעובדה שמדענים ניסו לחקור את תורשת כל תכונות הצמח בו זמנית.

הגישה המדעית בחקר הירושה של תכונות ותכונות מסוימות פותחה על ידי הנזיר הקתולי האוסטרי גרגור מנדל, אשר בקיץ 1865 החל בניסויים שלו על הכלאת צמחים (חציית זנים שונים של אפונה) בשטח מנזרו. הוא גילה לראשונה את חוקי הגנטיקה הבסיסיים. גרגור מנדל הצליח משום שחקר את תורשתן של תכונות מובחנות (מנוגדות), מנה את מספר הצאצאים מכל סוג, ושמר בקפידה תיעוד מפורט של כל ניסויי ההצלבה שלו. היכרות עם יסודות המתמטיקה אפשרה לו לפרש נכון את הנתונים שהתקבלו ולהעלות את ההנחה שכל תכונה נקבעת על ידי שני גורמים תורשתיים. הנזיר-חוקר המוכשר הצליח מאוחר יותר להראות בבירור שתכונות תורשתיות אינן מתערבבות, אלא מועברות לצאצאים בצורה של יחידות מסוימות. מסקנה מבריקה זו קיבלה אישור מלא לאחר מכן כאשר ניתן היה לראות את הכרומוזומים ולגלות את התכונות של סוגים שונים של חלוקת תאים: מיטוזה (תאים סומטיים - תאי גוף), מיוזה (מין, רבייה, נבט) והפריה.

מנדל דיווח על תוצאות עבודתו במפגש של אגודת חוקרי הטבע ברון ופרסם אותן בהליכי חברה זו. משמעות תוצאותיו לא הובנה על ידי בני דורו, ומחקרים אלה לא משכו את תשומת לבם של מגדלי צמחים וחוקרי טבע במשך כמעט 35 שנה.

בשנת 1900, לאחר שנודעו פרטי חלוקת התא לפי סוג המיטוזה, המיוזה וההפריה עצמה, שלושה חוקרים - דה פריס בהולנד, קורנס בגרמניה וצ'רמק באוסטריה - ערכו סדרה של ניסויים ובאופן בלתי תלוי זה בזה. , גילה מחדש את חוקי התורשה, שתוארו בעבר על ידי מנדל. מאוחר יותר, עם גילוי מאמרו של מנדל, שבו חוקים אלה נוסחו בבירור 35 שנה לפניהם, ספדו מדענים אלה פה אחד למדען הנזיר, וקראו את שני חוקי התורשה הבסיסיים על שמו.

בעשור הראשון של המאה ה-20 נערכו ניסויים בצמחים ובבעלי חיים המגוונים ביותר, ונעשו תצפיות רבות בנוגע להורשה של תכונות בבני אדם, אשר הראו בבירור כי התורשה מצייתת לאותם חוקים בסיסיים בכל האורגניזמים הללו. נמצא שהגורמים המתוארים על ידי מנדל הקובעים תכונה מסוימת ממוקמים בכרומוזומים של גרעין התא. לאחר מכן, בשנת 1909, יחידות אלו כונו גנים על ידי הבוטנאי הדני ג'והנסן (מהמילה היוונית "גנוס" - סוג, מקור), והמדען האמריקני וויליאם סיטון הבחין בדמיון מדהים בין התנהגות הכרומוזומים במהלך היווצרות הגמטות ( תאי מין), הפרייתם והעברת גורמים תורשתיים מנדלים - גנים. בהתבסס על התגליות המבריקות הללו, נוצרה מה שנקרא תורת הכרומוזומים של תורשה.

למען האמת, הגנטיקה עצמה, כמדע התורשה והשונות של אורגניזמים חיים ושיטות ניהולם, קמה בתחילת המאה ה-20. הגנטיקאי האמריקאי טי מורגן, יחד עם עמיתיו, ערכו ניסויים רבים שאפשרו לחשוף את הבסיס הגנטי של קביעת מין ולהסביר מספר צורות תורשה חריגות שבהן העברת תכונה תלויה במינו של הפרט. (מה שנקרא תכונות הקשורות למין). הצעד הגדול הבא קדימה נעשה ב-1927, כאשר ג'י מלר גילה שעל ידי הקרנת זבוב הפירות תסיסנית ואורגניזמים אחרים בקרני רנטגן, ניתן לגרום להם באופן מלאכותי שינויים בגנים, כלומר מוטציות. זה איפשר להשיג הרבה גנים מוטנטים חדשים - חומר נוסף לחקר התורשה. נתונים על אופי המוטציות שימשו כאחד המפתחות להבנה ולמבנה של הגנים עצמם.

בשנות ה-20 של המאה שלנו, מדענים סובייטים מבית הספר של A.S. Serebrovsky, הניסויים הראשונים בוצעו, שהראו כמה מורכב הגן. רעיונות אלו שימשו את ג'יי ווטסון ופ. קריק, שהצליחו ליצור מודל DNA ב-1953 באנגליה ולפענח את הקוד הגנטי. הרחיבה אז עבודת מחקר הקשורה ליצירה מכוונת של שילובים חדשים של חומר גנטי, והובילה להופעתה של ההנדסה הגנטית עצמה.

במקביל, בשנות הארבעים של המאה הקודמת, החל מחקר ניסיוני על הקשר בין גנים לאנזימים. לצורך כך נעשה שימוש נרחב בחפץ נוסף - פטריית העובש Neurospora, ממנה ניתן היה להשיג ולחקור באופן מלאכותי מספר מוטציות ביוכימיות הקשורות לאובדן של אנזים מיוחד (חלבון) כזה או אחר. במהלך שני העשורים האחרונים, Escherichia coli וכמה בקטריופאג'ים שמדביקים חיידק זה היו האובייקטים הנפוצים ביותר של מחקר גנטי.

מאז תחילת המאה ה-20, קיים עניין בלתי פוסק בחקר תורשה של תכונות מסוימות (ספציפיות) בבני אדם ובהעברה תורשתית של תכונות רצויות ובלתי רצויות בחיות בית ובצמחים תרבותיים. בהתבסס על ידע הולך וגובר של דפוסים גנטיים, מדענים ומגדלים גנטיים למדו, כמעט לפי הזמנה, לגדל בעלי חיים שיכולים לשרוד באקלים חם, פרות שנותנות הרבה חלב עם תכולת שומן גבוהה, תרנגולות שמטילות ביצים גדולות. עם קליפה דקה, זנים של תירס וחיטה, בעלי עמידות גבוהה למחלות מסוימות.

בשנת 1972, ה-DNA ההיברידי (רקומביננטי) הראשון הושג בארה"ב במעבדה של פ. ברג. רעיונות מרגשים בתחום הגנטיקה האנושית ושיטות מחקר גנטיות החלו להתפתח וליישם באופן נרחב ברפואה עצמה. בשנות ה-70 החל פענוח הגנום האנושי. במשך יותר מעשור, קיים פרויקט בשם הגנום האנושי. מתוך 3 מיליארד זוגות נוקלאוטידים המסודרים בקטעים רציפים, רק כ-10 מיליון תווים נקראו עד כה. במקביל, נוצרות טכניקות גנטיות חדשות שמגבירות את מהירות קריאת ה-DNA. מנהל המרכז הגנטי הרפואי של האקדמיה הרוסית למדעי הרפואה V.I. איבנוב בהחלט מאמין ש"הגנום כולו ייקרא בערך ב-2020".

3. הנדסה גנטית כמדע. שיטות הנדסה גנטית

הנדסה גנטית היא בנייה חוץ גופית של מבנים גנטיים פעילים פונקציונלית (DNA רקומביננטי), או במילים אחרות, יצירת תוכניות גנטיות מלאכותיות (Baev A.A.). לפי E.S. ההנדסה הגנטית של פירוזיאן היא מערכת של שיטות ניסוי המאפשרות לבנות במעבדה מבנים גנטיים מלאכותיים (in vitro) בצורה של מולקולות DNA רקומביננטיות או היברידיות.

אנחנו מדברים על בנייה מכוונת, על פי תוכנית שנקבעה מראש, של מערכות גנטיות מולקולריות מחוץ לגוף עם הכנסתן לאחר מכן לאורגניזם חי. במקרה זה, DNA רקומביננטי הופך לחלק בלתי נפרד מהמנגנון הגנטי של האורגניזם המקבל ומעניק לו תכונות גנטיות, ביוכימיות ולאחר מכן פיזיולוגיות ייחודיות חדשות.

המטרה של הנדסה גנטית יישומית היא לעצב מולקולות DNA רקומביננטיות כאלה שכאשר יוכנסו למנגנון הגנטי, יעניקו לגוף תכונות שימושיות לבני אדם.

טכנולוגיית DNA רקומביננטי משתמשת בשיטות הבאות:

ביקוע ספציפי של DNA על ידי נוקלאזות הגבלה, האצת הבידוד והמניפולציה של גנים בודדים;

רצף מהיר של כל הנוקלאוטידים של קטע DNA מטוהר, המאפשר לקבוע את גבולות הגן ואת רצף חומצות האמינו המקודדות על ידו;

בניית DNA רקומביננטי;

הכלאה של חומצות גרעין, המאפשרת זיהוי של רצפי RNA או DNA ספציפיים בדיוק ורגישות רבה יותר על סמך יכולתם לקשור רצפי חומצות גרעין משלימים;

שיבוט DNA: הגברה חוץ גופית על ידי תגובת שרשרת פולימראז או הכנסת קטע DNA לתא חיידקי, אשר לאחר טרנספורמציה כזו משחזר את המקטע הזה במיליוני עותקים;

החדרת DNA רקומביננטי לתאים או אורגניזמים.

4. תחומי יישום של הנדסה גנטית

התגליות המדעיות המתגלות כיום בתחום הגנטיקה האנושית הן למעשה בעלות חשיבות מהפכנית, שכן אנו מדברים על האפשרות ליצור "מפה של הגנום האנושי", או "אנטומיה פתולוגית של הגנום האנושי". המפה הגנטית הזו תאפשר את מיקומם של גנים האחראים למחלות תורשתיות מסוימות על גבי סליל DNA ארוך. לדברי מדענים גנטיים, האפשרויות הבלתי מוגבלות הללו היוו את הבסיס לרעיון ליישם בפרקטיקה הקלינית את מה שנקרא טיפול גנטי, שהוא כיוון בטיפול בחולים הקשור להחלפת גנים מושפעים באמצעות טכנולוגיות ביו-רפואיות גבוהות והנדסה גנטית. חדירה להרכב מערכות הגנים האנושיות והבטחת פעילותן החיונית אפשרית הן ברמת התאים הסומטיים (כל גוף, בעלי הבדלים מבניים ותפקודיים מסוימים) בגוף, והן ברמת המין, רבייה (נבט) ונבטית. תאים (עובריים).

הנדסה גנטית כסוג של טיפול - טיפול במחלה מסוימת שנקבעה גנטית - קשורה באספקת מולקולת DNA לא פגומה מתאימה על מנת להחליף בעזרתה את אותו גן - קטע בכרומוזום המכיל פגם, או לשלב אותו בחומר הגנטי האנושי על ידי מיזוג עם מה שנקרא תאים סומטיים של גוף האדם שיש להם פגם גנטי. משימת ההנדסה הגנטית ביחס לאדם היא לספק השפעה ממוקדת מתאימה על גן ספציפי על מנת לתקן אותו לכיוון של תפקוד תקין ולספק לאדם הסובל ממחלה תורשתית גרסה תקינה ללא שינוי של הגן. . בניגוד לטיפול תרופתי, טיפול זה, הנקרא הנדסה גנטית, עשוי לספק למטופל טיפול ארוך, ממושך, יעיל ביותר, המביא הקלה ותועלת רבה.

עם זאת, כל השיטות המודרניות להחדרת דנ"א לאורגניזמים חיים אינן מסוגלות לכוון ולמסור אותו לאוכלוסיה ספציפית של תאים המכילים גן שהשתנה ולכן אינו תקין. במילים אחרות, ההעברה המכוונת, הובלת גנים בתנאי הגוף (במודל "in vivo"), היא כיום בלתי אפשרית.

גישה מתודולוגית נוספת המבוססת על חילוץ אוכלוסייה מסוימת של תאים המכילים את הגן הפגוע מגוף החולה ותפעול החומר הגנטי על ידי החלפת גנים פגומים בתאים באמצעות הנדסה גנטית (במודל "in vitro") והחזרתם לאותו מקום ב הגוף, שבו הם נלקחו מהמטופל, אפשרי כיום בתנאים של מרכזים גנטיים רפואיים. שיטה זו של ריפוי גנטי באמצעות הנדסה גנטית כבר שימשה בניסיון ניסיוני לרפא שני חולים הסובלים ממחלה נדירה שנקבעה גנטית, מה שנקרא בטא תלסמיה, אשר, כמו אנמיה חרמשית, נגרמת גם על ידי נוכחות של חלבון מסודר בצורה לא תקינה ולכן לא מתפקד בתאי דם אדומים. מהות המניפולציה הייתה שתאי הגזע כביכול בודדו ממח העצם של חולים אלו, אל הכרומוזומים שבהם הוכנס קטע ה-DNA האחראי על ייצור חלבון ההמוגלובולין התקין - הגן. לאחר שתאי הגזע התקולים שנותרו במח העצם של החולה הושמדו כמעט לחלוטין, הוכנסו לחולים תאי גזע מהונדסים גנטית. לרוע המזל, שני הניסיונות הללו לא צלחו מבחינה קלינית, מכיוון שהחולים מתו. מקרה ראשון זה של הנדסה גנטית במסגרת בית חולים לא אושר או אושר על ידי ועדות הבקרה הרלוונטיות, ומשתתפיו זכו לגינוי חריף על הפרה בוטה של ​​כללי ביצוע מחקרים בתחום הגנטיקה האנושית.

הנדסה גנטית של תאים מתרבים (מין) יכולה להוביל להשלכות שונות לחלוטין, שכן החדרת ה-DNA לתאים אלו שונה מתיקון של פגם גנטי בתאים סומטיים (גופניים, שאינם מין). ידוע שהחדרת גנים אחרים לכרומוזומים של תאי נבט מובילה להעברתם לדורות הבאים. באופן עקרוני, אפשר לדמיין הוספת מקטעים מסוימים של DNA במקום מקטעים פגומים לחומר הגנטי של כל תא רבייה של אדם מסוים שלוקה במחלה כזו או אחרת שנקבעה מראש גנטית.

אכן, זה הושג בעכברים. אז, ביצית התקבלה מהשחלה של נקבה, שהופריה לאחר מכן במבחנה (במבחנה), ולאחר מכן הוכנס קטע DNA זר לכרומוזום של הביצית המופרית. אותה ביצית מופרית עם גנום שונה הושתלה (הוכנסה) לרחם האם של נקבת עכבר. מקור ה-DNA הזר בניסוי אחד היה החומר הגנטי של ארנב, ובאחר - אדם.

על מנת לזהות במהלך תקופת ההתפתחות התוך רחמית של העובר, את הסבירות שילד ייוולד עם חריגות גנטיות מסוימות, כגון תסמונת דאון או מחלת טיי-זקס, נעשה שימוש בטכניקת מחקר של מה שנקרא בדיקת מי שפיר - ניתוח טרום לידתי , במהלכו דגימה של נוזל ביולוגי המכיל תאי נבט שנלקחו משק השפיר בתחילת השליש השני של ההריון. בנוסף, השיטה לחילוץ תאי עובר שונים מדגימת דם שליה של האם זכתה להתפתחות נוספת. תאי הרחם המתקבלים בדרך זו יכולים כיום לשמש רק לאיתור מספר מצומצם של מחלות שנקבעו גנטית שבהן יש הפרות בולטות, גסות במבנה ה-DNA ושינויים שנקבעים על ידי ניתוחים ביוכימיים. הנדסה גנטית באמצעות DNA רקומביננטי בחקר העובר פותחת את האפשרות לאבחן נכון מחלות תורשתיות שונות ורבות.

במקרה זה מפותחות שיטות ליצירת מה שמכונה "ג'נים", שבאמצעותן ניתן לקבוע אם קיים גן תקין ללא שינוי בכרומוזום או גן לא תקין ופגום. בנוסף, הנדסה גנטית הקשורה לשימוש ב-DNA רקומביננטי, שנמצא באחד משלבי היווצרותו, תאפשר בעתיד את מה שנקרא "תכנון" של גנים אנושיים, כך שגן מסוים הנושא מעוות, מידע פתולוגי ולכן הוא מעניין עבור גנטיקאים, יכול להתגלות בזמן ובמהירות דיה באנלוגיה לשיטה של ​​שימוש בגן ​​"מסומן" אחר. הטכניקה הביו-רפואית המתוחכמת הזו אמורה לסייע באיתור כל גן בתאי הרחם, לא רק אלה שבהם הסבירות לגילוי הפרעות שונות היא ריאלית באמצעות טכניקת בדיקת מי שפיר.

בהקשר זה, צצו בשנים האחרונות חלקים חדשים במדעי הביו-רפואה, כמו למשל טכנולוגיות DNA גבוהות, טיפול עוברי וטיפול תאי (ציטותרפיה), כלומר אבחון תוך רחמי וטיפול במחלה שנקבעה גנטית כמו ב- שלב היווצרות והתפתחות העובר (עובר), ובשלב הבשלת העובר. לחדירות ולמניפולציה של חומר עוברי יש השפעה ישירה על תורשה של שינויים גנטיים, שכן יש להם את היכולת לעבור מדור לדור. יתרה מכך, האבחון הגנטי עצמו מתחיל להתפתח לכדי חיזוי גנטי, כלומר לקביעת גורלו העתידי של אדם, איחוד השינויים המהפכניים העיקריים ברפואה עצמה, אשר, כתוצאה מניסויים וטכניקות גנטיות רפואיות מורכבות, התאפשרו הרבה לפני הופעת "התמונה הקלינית של המחלה", לפעמים אפילו לפני לידתו של אדם, כדי לקבוע אילו מחלות תורשתיות מאיימות עליו. כך, הודות למאמצים של גנטיקאים ומומחים בתחום ההנדסה הגנטית, נולדה במעמקי המדעים הביו-רפואיים מה שמכונה "הרפואה הניבוית", כלומר רפואה ש"עושה תחזיות לעתיד".

יחד עם זאת, טכנולוגיות וטכניקות שונות של הנדסה גנטית מאפשרות לחזות גם בתקופה שלפני הלידה של התפתחות הילד, לפני לידתו, לא רק את נוכחותה של מחלה תורשתית מסוימת אצלו, אלא גם לתאר בפירוט את תכונות גנטיות רפואיות של עובר ועובר גדלים.

עם הצטברות של נתונים חדשים על המיפוי הגנטי של הגנום האנושי ותיאור (רצף) ה-DNA שלו, וגם בגלל שהשיטות המודרניות המפותחות לחקר פולימורפיזמים של DNA מאפשרות להנגיש מידע גנטי על מבני ותפקודי מסוימים (כולל תכונות פתולוגיות של גוף האדם, שככל הנראה יתבטאו בעתיד, אך עדיין אינן מורגשות כעת, ניתן להשיג, בעזרת אבחון גנטי רפואי, את כל המידע הגנטי על הילד, לא רק פרה-קלינית , כלומר, לפני ביטוי של מחלה תורשתית מסוימת, ולפני הלידה, כלומר לפני לידתו, אבל גם באופן מונע, כלומר, אפילו לפני ההתעברות שלו.

בעתיד הנראה לעין, בזכות ההצלחה וההתקדמות בתחום האבחון הגנטי הרפואי, ניתן יהיה, על פי אבחון ה-DNA, לשפוט די בביטחון, למשל, מה יהיה גובהו של אדם, יכולותיו המנטליות, נטייה למחלות מסוימות (במיוחד לאונקולוגיות או נפשיות), שנידונה לביטוי ולהתפתחות של מחלות תורשתיות כלשהן.

טכנולוגיות ביו-רפואיות מודרניות מאפשרות לזהות הפרעות שונות בגנים שעלולות להתבטא ולגרום למחלות מסוימות, לא רק בשלב של מחלה מובהקת קלינית, אלא גם כאשר אין עדיין סימני פתולוגיה והמחלה עצמה לא תתבטא. כל כך מהר. דוגמאות לכך יכולות להיות פגיעה באדם מעל גיל 40, ואפילו בגיל 70, מחלת אלצהיימר ומחלת הנטינגטון. עם זאת, גם במקרים אלו ניתן לזהות גנים העלולים לגרום למחלות דומות בבני אדם, עוד לפני התעברות החולה עצמו. ידוע גם שניתן לסווג סוכרת בין מחלות כאלה. הנטייה למחלה זו והפתולוגיה הגנטית עצמה עוברים בתורשה ויכולים להתבטא במקרה של אי ציות לאורח חיים מסוים בבגרות או בגיל מבוגר. ניתן לקבוע בוודאות סבירה שאם שני ההורים או אחד מהם סובלים מסוכרת, אזי הסבירות לרשת את הגן "סוכרת" או שילוב של גנים כאלה עוברת לילדים.

במקביל, ניתן לבצע מחקרים ביו-רפואיים מתאימים ולבצע אבחנה נכונה בנוכחות כמויות קטנות מיקרוסקופיות של חומר ביולוגי. לפעמים מספיקים לכך כמה תאים בודדים, שיתפשטו בתרבית חוץ גופית, ומהם יתקבל "דיוקן גנטי" של הנבדק, כמובן, לא לכל הגנים של הגנום שלו (ישנם עשרות אלפים מהם!), אך עבור אלה מהם יש סיבות טובות לחשוד בפגמים מסוימים. פיתוח סימולטני של שיטות הנדסה תאית וגנטית יאפשר בשלבים הבאים של הכרה של הגנום לגלות את האפשרות המעשית של שינוי שרירותי, ובעיקר למטרות טיפוליות, את רצף וסדר הגנים, הרכבם ומבנהם.

רפואה אינה תחום היישום היחיד של הנדסה גנטית. להבחין בהנדסה גנטית של צמחים, הנדסה גנטית של תאים בקטריולוגיים.

לאחרונה הופיעו הזדמנויות חדשות בהשגת חיסונים "אכילים" המבוססים על צמחים מהונדסים.

התקדמות רבה נעשתה בצמחים מהונדסים בעולם. הם קשורים במידה רבה לעובדה שהבעיה של השגת אורגניזם מתא, מקבוצת תאים או עובר לא בשל בצמחים היא כעת לא עניין גדול. טכנולוגיות תאים, תרבית רקמות ויצירת חומרים מחודשים נמצאים בשימוש נרחב במדע המודרני.

שקול את ההישגים בתחום גידול הצמחים, שהושגו במכון הסיבירי לפיזיולוגיה וביוכימיה של צמחים, סניף סיבירי של האקדמיה הרוסית למדעים.

כך, בשנים האחרונות, התקבלו מספר צמחים מהונדסים על ידי העברת הגנים ugt, acp, acb, accc ושאר הגנים המבודדים מאובייקטים צמחיים שונים אל הגנום שלהם.

כתוצאה מהחדרת הגנים הללו, הופיעו צמחים מהונדסים של חיטה, תפוח אדמה, עגבנייה, מלפפון, סויה, אפונה, לפתית, תות שדה, אספן ועוד כמה.

החדרת הגנים בוצעה על ידי "הפגזת" רקמות באמצעות "אקדח גנים" (שעיצובו פותח במכון שלנו), או על ידי וקטור גנטי המבוסס על פלסמיד אגרובקטריאלי עם גני מטרה מובנים ומקדמים מתאימים. .

כתוצאה מכך נוצרו מספר צורות טרנסגניות חדשות. הנה כמה מהם.

יש להניח שחיטה מהונדסת (2 זנים), בעלת גידול ועיבוד אינטנסיביים הרבה יותר, עמידה יותר לבצורת וגורמים סביבתיים שליליים אחרים. הפרודוקטיביות שלו והורשת של נכסים נרכשים נחקרים.

תפוחי אדמה מהונדסים, שנצפו כבר שלוש שנים. הוא מניב באופן עקבי 50-90 אחוז גבוה מהביקורת, רכש עמידות כמעט מלאה לקוטלי עשבים אוקסין, ובנוסף, הפקעות שלו "משחירות" הרבה פחות בחתכים עקב ירידה בפעילות הפוליפנול אוקסידאז.

עגבנייה מהונדסת (מספר זנים), המאופיינת בעבודת אדמה ותפוקה רבה יותר. בחממה היבול שלה הוא עד 46 ק"ג למ"ר (יותר מפעמיים מהבקרה).

מלפפון מהונדס (מספר זנים) מניב יותר פרחים פוריים וכתוצאה מכך פירות עם יבול של עד 21 ק"ג למ"ר לעומת 13.7 בביקורת.

יש גם צורות טרנסגניות של צמחים אחרים, לרבים מהם יש גם מספר תכונות כלכליות שימושיות.

הנדסה גנטית היא המדע של היום ומחר. כבר עכשיו, עשרות מיליוני דונם נזרעים בעולם עם צמחים מהונדסים, נוצרות תרופות חדשות, יצרנים חדשים של חומרים שימושיים. עם הזמן, הנדסה גנטית תהפוך לכלי חזק יותר ויותר להתקדמות חדשה ברפואה, וטרינריה, פרמקולוגיה, תעשיית המזון והחקלאות.

5. עובדות מדעיות על הסכנות שבהנדסה גנטית

יש לציין כי לצד ההתקדמות שהביאה התפתחות ההנדסה הגנטית, מבחינות כמה עובדות על סכנותיה של ההנדסה הגנטית, שעיקרן מובאות להלן.

1. הנדסה גנטית שונה מהותית מגידול זנים וגזעים חדשים. התוספת המלאכותית של גנים זרים משבשת מאוד את הבקרה הגנטית המכווננת היטב של תא תקין. מניפולציה של גנים שונה מהותית מהשילוב של כרומוזומים אימהיים ואביים המתרחשים בהצלבה טבעית.

2. נכון להיום, הנדסה גנטית אינה מושלמת מבחינה טכנית, שכן היא אינה מסוגלת לשלוט בתהליך של החדרת גן חדש. לכן, לא ניתן לחזות את מקום ההחדרה ואת ההשפעות של הגן שנוסף. גם אם ניתן לקבוע את מיקומו של הגן לאחר החדרתו לגנום, הידע הזמין ב-DNA אינו שלם מאוד על מנת לחזות את התוצאות.

3. כתוצאה מהוספה מלאכותית של גן זר עלולים להיווצר באופן בלתי צפוי חומרים מסוכנים. במקרה הגרוע, אלו יכולים להיות חומרים רעילים, אלרגנים או חומרים לא בריאים אחרים. מידע על סוג זה של אפשרויות עדיין מאוד לא שלם.

4. אין שיטות אמינות לחלוטין לבדיקת חוסר מזיק. לא ניתן לזהות יותר מ-10% מתופעות הלוואי החמורות של תרופות חדשות למרות מחקרי בטיחות שנערכו בקפידה. הסיכון שהתכונות המסוכנות של מזונות חדשים, מהונדסים גנטית, ייעלמו ככל הנראה, גדול בהרבה מאשר במקרה של תרופות.

5. הדרישות הנוכחיות לבדיקת חוסר מזיק אינן מספקות ביותר. הם מנוסחים בבירור בצורה כזו כדי לפשט את תהליך האישור. הם מאפשרים שימוש בשיטות לא רגישות ביותר לבדיקת חוסר מזיקות. לכן, קיים סיכון משמעותי שמוצרי מזון לא בריאים יכולים לעבור בדיקה ללא גילוי.

6. למזון מהונדס גנטית אין עד כה ערך משמעותי לאנושות. מוצרים אלו משרתים בעיקר אינטרסים מסחריים בלבד.

7. הידע על ההשפעה על הסביבה של אורגניזמים ששונו בהנדסה גנטית והובאו לשם אינו מספיק לחלוטין. עדיין לא הוכח שלאורגניזמים מהונדסים גנטית לא תהיה השפעה מזיקה על הסביבה. אקולוגים העלו השערות לגבי סיבוכים סביבתיים אפשריים שונים. לדוגמה, ישנן הזדמנויות רבות להתפשטות בלתי מבוקרת של גנים שעלולים להזיק המשמשים הנדסה גנטית, כולל העברת גנים על ידי חיידקים ווירוסים. סביר להניח שסיבוכים הנגרמים בסביבה אינם ניתנים לתיקון, מכיוון שלא ניתן להחזיר גנים משוחררים.

8. עלולים להופיע וירוסים חדשים ומסוכנים. הוכח בניסוי שגנים של וירוסים המובנים בגנום יכולים להשתלב עם גנים של וירוסים מדבקים (מה שנקרא רקומבינציה). הווירוסים החדשים הללו עשויים להיות אגרסיביים יותר מהמקוריים. וירוסים עשויים גם להפוך לפחות ספציפיים למין. לדוגמה, וירוסי צמחים יכולים להפוך מזיקים לחרקים מועילים, לבעלי חיים וגם לבני אדם.

9. הידע על החומר התורשתי, ה-DNA, הוא מאוד לא שלם. ידוע כי רק 3% מה-DNA מתפקד. זה מסוכן לתפעל מערכות מורכבות, שהידע לגביהן אינו שלם. ניסיון רב בתחום הביולוגיה, האקולוגיה והרפואה מראה שהדבר עלול לגרום לבעיות והפרעות חמורות בלתי צפויות.

10. הנדסה גנטית לא תפתור את בעיית הרעב בעולם. הטענה שהנדסה גנטית יכולה לתרום תרומה משמעותית לפתרון בעיית הרעב בעולם היא מיתוס מופרך מבחינה מדעית.

סיכום

הנדסה גנטית היא שיטה ביוטכנולוגיה העוסקת במחקר על סידור מחדש של גנוטיפים. הגנוטיפ אינו רק סכום מכני של גנים, אלא מערכת מורכבת שהתפתחה בתהליך האבולוציה של אורגניזמים. הנדסה גנטית מאפשרת, באמצעות פעולות במבחנה, להעביר מידע גנטי מאורגניזם אחד לאחר. העברת גנים מאפשרת להתגבר על מחסומים בין המינים ולהעביר תכונות תורשתיות בודדות של אורגניזם אחד לאחר.

המבנה מחדש של הגנוטיפים, בעת ביצוע משימות ההנדסה הגנטית, הוא שינוי איכותי בגנים שאינו קשור לשינויים במבנה הכרומוזומים הנראים במיקרוסקופ. שינויים בגנים קשורים בעיקר לשינוי המבנה הכימי של ה-DNA. מידע על המבנה של חלבון, הכתוב בצורה של רצף של נוקלאוטידים, מתממש בצורה של רצף של חומצות אמינו במולקולת החלבון המסונתז. שינוי ברצף הנוקלאוטידים ב-DNA הכרומוזומלי, אובדן של חלקם והכללה של נוקלאוטידים אחרים, משנים את הרכב מולקולות ה-RNA הנוצרות על ה-DNA, וזה בתורו גורם לרצף חומצות אמינו חדש במהלך הסינתזה. כתוצאה מכך, חלבון חדש מתחיל להיות מסונתז בתא, מה שמוביל להופעת תכונות חדשות בגוף. המהות של שיטות הנדסה גנטית טמונה בעובדה שגנים בודדים או קבוצות של גנים מובנים לתוך הגנוטיפ של אורגניזם או מודרים ממנו. כתוצאה מהחדרת גן שנעדר בעבר לגנוטיפ, ניתן לאלץ את התא לסנתז חלבונים שלא סינתזה קודם לכן.

בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה

2. Lee A., Tinland B. אינטגרציה של t-DNA בגנום הצמח: אב טיפוס ומציאות // Plant Physiology. 2000. - כרך 47. - מס' 3.

3. L. A. Lutova, N. A. Provorov, O. N. Tikhodeev, et al., Genetics of Plant Development. - סנט פטרסבורג: נאוקה, 2000. - 539 עמ'.

4. Lyadskaya M. הנדסה גנטית יכולה לעשות הכל - אפילו לגדל חיסון בגינה // Pharmaceutical Bulletin. - 2000. - מס' 7.

5. Romanov G. A. הנדסה גנטית צמחית ודרכים לפתרון בעיית הבטיחות הביולוגית // Plant Physiology, 2000. - Volume 47. - No. 3.

6. Salyaev R. מיתוסים ומציאות של הנדסה גנטית // מדע בסיביר. - 2002. - מס' 7.

7. Favorova O. O. טיפול בגנים - פנטזיה או מציאות? // עלון פרמצבטי. - 2002. - מס' 5.

קוזמינה נ.א. יסודות הביוטכנולוגיה: ספר לימוד. - אומסק: OGPU, 2001. - 256s.

Lutova L.A., Provorov N.A., Tikhodeev O.N. וחב' גנטיקה של התפתחות צמחים. - סנט פטרסבורג: נאוקה, 2000. - 539 עמ'.

Lyadskaya M. הנדסה גנטית יכולה לעשות הכל - אפילו לגדל חיסון בגינה // פרמצבטיקה עלון. - 2000. - מס' 7.

קוזמינה נ.א. יסודות הביוטכנולוגיה: ספר לימוד. - אומסק: OGPU, 2001. - 256s.

Favorova O. O. טיפול בגנים - פנטזיה או מציאות? // עלון פרמצבטי. - 2002. - מס' 5.

Salyaev R. מיתוסים ומציאות של הנדסה גנטית // מדע בסיביר. - 2002. - מס' 7.

קוזמינה נ.א. יסודות הביוטכנולוגיה: ספר לימוד. - אומסק: OGPU, 2001. - 256s.

(DNA ו-RNA) וגנטיקה של מיקרואורגניזמים. הוא עוסק בפענוח מבנה, סינתזה כימית או ביוכימית, שיבוט, החדרה של אורגניזמים מבודדים או מסונתזים חדשים על מנת לשנות את התכונות התורשתיות שלהם באופן ממוקד. הנדסה גנטית מגשימה את החלום העתיק של האנושות - שליטה.

שתי תגליות אפשרו הנדסה גנטית. הראשון שבהם הוא גילוי של ספציפיים - הנקראים restrictases. אנזימי הגבלה קורעים, חותכים את רצף הנוקלאוטידים ב-DNA, אבל לא בכל מקום, אלא רק באותם מקומות שבהם יש שילוב של נוקלאוטידים מסוימים, הניתנים לזיהוי רק על ידי אנזים הגבלה זה. ה"חכמים" הללו מבודדים ממיקרואורגניזמים, עליהם הם מגנים מפני מידע גנטי זר (למשל, מ-DNA). בעזרת רסטקטאזים, ניתן להשיג חלקים של DNA שנחתכו באותם מקומות, למשל, כולל רצף נוקלאוטידים המקודד . זה עשוי להיות אינסולין, הכרחי לטיפול בסוכרת, אנושי או משמש לטיפול במחלות ויראליות.

חשוב להנדסה גנטית ואחרת - ליגאז, "תפירת" מקטעי DNA אחד לשני. בעזרתו, ניתן, על ידי ערבוב תמיסות של מולקולות DNA חתוכות (מוגבלות) שונות במבחנה, לתפור אותן לאחת, כלומר לחבר רצף אחד למשנהו.

התגלית השנייה העומדת בבסיס ההנדסה הגנטית היא רבייה לאלמנטים גנטיים. מדובר במולקולות DNA מעגליות באורך קטן יחסית (לא יותר מ-100 אלף זוגות נוקלאוטידים). הם נקראים . אולי מקורם בפאג'ים הממוזגים (ראה) - שאינם הורגים את החיידק, אלא מועברים מדור לדור. ומתונים ניתן להעביר מ-to, והם חלק מה-DNA המעגלי שלהם, יכולים להיות תבניות לסינתזה של אלה ספציפיים על פי המנגנון הרגיל - באמצעות RNA מידע (מטריציוני) בהשתתפות ריבוזומים מארח (ראה,) . ניתן גם לחתוך את הפלסמיד וה-Page DNA על ידי אנזימי הגבלה ולקשר אותם על ידי ליגזות.

הנדסה גנטית התעוררה כאשר מדענים גילו שבעזרת ריסטראזות וליגאזות, ניתן להחדיר זר לפאג'ים או למתן אותם, ולאחר מכן להידבק בהם. התגברו במהירות על קשיים בהחדרה לחיידקים ופאג'ים (הם נקראים וקטורים, נשאים) של אורגניזמים גבוהים יותר. כעת מהנדסים גנטיים מחפשים בשקידה אחר מתונים שיכולים להפוך לוקטורים בטוחים עבורם.

גם עכשיו, הנדסה גנטית יכולה לספק מספר בלתי מוגבל של אנשים אחרים הדרושים לטיפול במחלות גנטיות (למשל אינסולין וכו'). הם מסונתזים על ידי הכפלה בכמויות גדולות, שאליו הוכנסו המתאימים. בעתיד הקרוב יתקבלו בדרך זו מעכבים (מעכבים) של גידולים ממאירים, לטיפול במחלות ויראליות, אנקפלינים ואנדורפינים לטיפול במחלות נפש. באופן עקרוני, ניתן לכפות סינתזה של בשר או חלב. בסוף המאה שלנו, כנראה תיפתר בעיית השינוי המכוון בצמחים גבוהים, מה שיחולל מהפכה בחקלאות. ראשית, בואו נדבר על יצירה

מבוא

בעבודתי אני חושף את נושא ההנדסה הגנטית. האפשרויות שמציעה ההנדסה הגנטית לאנושות, הן בתחום המדע היסודי והן בתחומים רבים אחרים, הן גדולות מאוד ולעיתים אף מהפכניות.

כך, הוא מאפשר ייצור המוני תעשייתי של החלבונים הדרושים, מקל מאוד על תהליכים טכנולוגיים להשגת מוצרי תסיסה - אנזימים וחומצות אמינו, ובעתיד ניתן להשתמש בו לשיפור צמחים ובעלי חיים, כמו גם לטיפול במחלות תורשתיות של בני אדם.

לפיכך, הנדסה גנטית, בהיותה אחד הכיוונים העיקריים של התקדמות מדעית וטכנולוגית, תורמת באופן פעיל להאצת פתרון בעיות רבות, כגון בעיות מזון, חקלאות, אנרגיה וסביבה.

אבל הנדסה גנטית פותחת הזדמנויות גדולות במיוחד לרפואה ולתרופות, שכן השימוש בהנדסה גנטית יכול להוביל לשינויים מהותיים ברפואה.

1. מהות ההנדסה הגנטית.

1.1. היסטוריה של הנדסה גנטית.

הנדסה גנטית הופיעה הודות לעבודתם של חוקרים רבים בענפים שונים של ביוכימיה וגנטיקה מולקולרית.

במשך שנים רבות, חלבונים נחשבים לסוג העיקרי של מקרומולקולות. הייתה אפילו הנחה שגנים הם בעלי אופי חלבוני.

רק ב-1944 הראו אייברי, מקלאוד ומקארת'י שה-DNA הוא נושא המידע התורשתי.

מאז, החל מחקר אינטנסיבי של חומצות גרעין. עשור לאחר מכן, ב-1953, ג'יי ווטסון ופ' קריק יצרו מודל DNA דו-גדילי. שנה זו נחשבת לשנת הלידה של הביולוגיה המולקולרית.

בתחילת שנות ה-50 וה-60 הובהרו תכונותיו של הקוד הגנטי, ועד סוף שנות ה-60 אושרה האוניברסליות שלו בניסוי.

חלה התפתחות אינטנסיבית של גנטיקה מולקולרית, שאובייקטיה היו Escherichia coli (E. Coli), הנגיפים והפלסמידים שלו.

פותחו שיטות לבודד תכשירים מטוהרים מאוד של מולקולות DNA שלמות, פלסמידים ווירוסים.

ה-DNA של וירוסים ופלסמידים הוכנס לתאים בצורה פעילה ביולוגית, מה שמבטיח שכפול וביטוי של הגנים התואמים.

בשנות ה-70 התגלו מספר אנזימים המזרזים את התגובות של טרנספורמציה של DNA. אנזימי הגבלה ולגזות DNA ממלאות תפקיד מיוחד בפיתוח שיטות הנדסה גנטית.

ניתן לחלק את ההיסטוריה של התפתחות ההנדסה הגנטית לשלושה שלבים:

השלב הראשון קשור להוכחה של האפשרות הבסיסית להשיג מולקולות DNA רקומביננטיות במבחנה. עבודות אלו עוסקות בייצור הכלאיים בין פלסמידים שונים. הוכחה האפשרות ליצור מולקולות רקומביננטיות באמצעות מולקולות ה-DNA המקוריות ממינים וזנים שונים של חיידקים, כדאיותן, יציבותן ותפקודן.

השלב השני קשור לתחילת העבודה על השגת מולקולות DNA רקומביננטיות בין הגנים הכרומוזומליים של פרוקריוטים ופלסמידים שונים, המוכיחים את יציבותם וכדאיותם.

השלב השלישי הוא תחילת העבודה על הכללת גנים אוקריוטיים, בעיקר גנים של בעלי חיים, למולקולות DNA וקטור (DNA המשמש להעברת גנים ומסוגל להשתלב במנגנון הגנטי של התא המקבל).

פורמלית, יש להתייחס לתאריך הלידה של הנדסה גנטית בשנת 1972, כאשר באוניברסיטת סטנפורד יצרו פ. ברג וס. כהן ועמיתיו לעבודה את ה-DNA הרקומביננטי הראשון המכיל שברי DNA של נגיף SV40, בקטריופאג' ו-E. coli.

1.2. הרעיון של הנדסה גנטית

אחד מענפי הגנטיקה המולקולרית והביולוגיה המולקולרית, שמצא את היישום המעשי הגדול ביותר, הוא הנדסה גנטית.

הנדסה גנטית היא סך השיטות המאפשרות העברה של גנים מאורגניזם אחד לאחר, או שהיא טכנולוגיה לבנייה מכוונת של עצמים ביולוגיים חדשים.

נולדה בתחילת שנות ה-70, היא זכתה להצלחה גדולה היום. טכניקות הנדסה גנטית הופכות חיידקים, שמרים ותאי יונקים ל"מפעלים" לייצור בקנה מידה גדול של כל חלבון.

זה מאפשר לנתח בפירוט את המבנה והתפקודים של חלבונים ולהשתמש בהם כתרופות.

נכון לעכשיו, Escherichia coli (E. coli) הפכה לספקית של הורמונים חשובים כמו אינסולין וסומטוטרופין.

בעבר, אינסולין התקבל מתאי הלבלב של בעלי חיים, כך שהעלות הייתה גבוהה מאוד. כדי להשיג 100 גרם אינסולין גבישי, נדרשים 800-1000 ק"ג לבלב, ובלוטה אחת של פרה שוקלת 200-250 גרם. זה הפך את האינסולין ליקר וקשה לגישה עבור מגוון רחב של חולי סוכרת.

אינסולין מורכב משתי שרשראות פוליפפטידים A ו-B, באורך 20 ו-30 חומצות אמינו. כאשר הם מחוברים בקשרים דיסולפידים, נוצר אינסולין דו-שרשרת מקורי.

הוכח כי הוא אינו מכיל חלבוני E. coli, אנדוטוקסינים וזיהומים נוספים, אין לו תופעות לוואי כמו אינסולין מן החי, ואינו שונה ממנו בפעילות הביולוגית.

סומטוטרופין הוא הורמון גדילה אנושי המופרש מבלוטת יותרת המוח. היעדר הורמון זה מוביל לגמדות יותרת המוח. אם סומטוטרופין ניתנת במינונים של 10 מ"ג לכל ק"ג משקל שלוש פעמים בשבוע, בעוד שנה ילד הסובל מהמחסור בו יכול לגדול ב-6 ס"מ.

בעבר, הוא הושג מחומר גווי, מגופה אחת: 4 - 6 מ"ג סומטוטרופין מבחינת המוצר הפרמצבטי הסופי. לפיכך, כמויות ההורמון הזמינות היו מוגבלות, יתרה מכך, ההורמון שנוצר בשיטה זו היה הטרוגני ויכול להכיל וירוסים המתפתחים לאט.

חברת "Genentec" פיתחה בשנת 1980 טכנולוגיה לייצור הורמון גדילה בעזרת חיידקים, אשר הייתה נטולת חסרונות אלו. בשנת 1982 התקבל הורמון גדילה אנושי בתרבית של E. coli ותאי בעלי חיים במכון פסטר בצרפת, ומאז 1984 החל ייצור תעשייתי של אינסולין בברית המועצות.

1.3. מטרות ויעדים של הנדסה גנטית

המטרה של הנדסה גנטית יישומית היא לעצב מולקולות DNA רקומביננטיות כאלה שכאשר יוכנסו למנגנון הגנטי, יעניקו לגוף תכונות שימושיות לבני אדם.

ייצור בדיקות DNA ספציפיות ביותר מבוסס על טכנולוגיית ה-DNA הרקומביננטי, בעזרתה הם חוקרים את ביטוי הגנים ברקמות, לוקליזציה של גנים בכרומוזומים ומזהים גנים בעלי תפקידים קשורים (למשל בבני אדם ובתרנגולות ). בדיקות DNA משמשות גם לאבחון של מחלות שונות.

טכנולוגיית DNA רקומביננטי אפשרה גישת חלבון-גן לא קונבנציונלית הנקראת גנטיקה הפוכה. בגישה זו, חלבון מבודד מהתא, הגן של חלבון זה משובט, והוא משתנה, יוצר גן מוטנטי המקודד לצורה שונה של החלבון. הגן שנוצר מוחדר לתא. כך ניתן לתקן גנים פגומים ולטפל במחלות תורשתיות.

אם ה-DNA ההיברידי מוכנס לביצית מופרית, ניתן להשיג אורגניזמים מהונדסים המעבירים את הגן המוטציה לצאצאים.

הטרנספורמציה הגנטית של בעלי חיים מאפשרת לקבוע את תפקידם של גנים בודדים ומוצרי החלבון שלהם הן בוויסות הפעילות של גנים אחרים והן בתהליכים פתולוגיים שונים.

טכנולוגיית DNA רקומביננטי משתמשת בשיטות הבאות:

ביקוע DNA ספציפי על ידי נוקלאזות הגבלה, האצת הבידוד והמניפולציה של גנים בודדים;

רצף מהיר של כל הנוקלאוטידים של קטע DNA מטוהר, המאפשר לקבוע את גבולות הגן ואת רצף חומצות האמינו המקודדות על ידו;

בנייה של DNA רקומביננטי;

הכלאה של חומצות גרעין, המאפשרת לזהות רצפי RNA או DNA ספציפיים ברמת דיוק ורגישות רבה יותר;

שיבוט DNA: הגברה חוץ גופית על ידי תגובת שרשרת פולימראז או הכנסת קטע DNA לתא חיידקי, אשר לאחר טרנספורמציה כזו משחזר את המקטע הזה במיליוני עותקים;

הכנסת DNA רקומביננטי לתאים או לאורגניזמים.

2.

2.1. בידוד גנים המכילים את המידע הדרוש.

ניתן להשיג גנים בכמה דרכים: בידוד מ-DNA, סינתזה כימית-אנזימטית וסינתזה אנזימטית.

בידוד גנים מ-DNA מתבצע באמצעות ריסטרטאזים המזרזים את ביקוע ה-DNA באתרים בעלי רצפי נוקלאוטידים מסוימים (4-7 זוגות נוקלאוטידים). המחשוף יכול להתבצע באמצע אזור מזוהה של זוגות נוקלאוטידים; במקרה זה, שני גדילי ה-DNA "נחתכים" באותה רמה. לשברי ה-DNA המתקבלים יש קצוות שנקראים "קהים". פיצול DNA עם תזוזה אפשרי, כאשר אחד הגדילים בולט למספר נוקלאוטידים. הקצוות ה"דביקים" שנוצרו במקרה זה מקיימים אינטראקציה בשל המשלימותם. ניתן להוסיף לווקטור רצף נוקלאוטידים עם קצוות דביקים (שטופלו בעבר באותו אנזים הגבלה) ולהמיר אותו לרצף מעגלי על ידי קשירת ליגאז של קצוות משלימים זה את זה. לשיטה יש חסרונות משמעותיים, שכן די קשה לבחור את פעולת האנזימים לבידוד קפדני של הגן הרצוי. יחד עם הגן, נוקלאוטידים "נוספים" נלכדים, או להיפך, אנזימים מנתקים חלק מהגן, והופכים אותו לפגום מבחינה תפקודית.

נעשה שימוש בסינתזה כימית-אנזימטית אם ידוע המבנה הראשוני של החלבון או הפפטיד שהגן מקודד לסינתזה שלו. נדרש ידע מלא של רצף הנוקלאוטידים של הגן. שיטה זו מאפשרת ליצור מחדש במדויק את רצף הנוקלאוטידים הרצוי, וכן להכניס לגנים אתרי זיהוי של אנזימי הגבלה, רצפים רגולטוריים וכו'. השיטה מורכבת מסינתזה כימית של שברי DNA חד-גדיליים (אוליגונוקלאוטידים) עקב ההדרגתיות. יצירת קשרי אתר בין נוקלאוטידים, בדרך כלל 8-16-mer. נכון לעכשיו, קיימות "מכונות גנים" שבשליטה של ​​מיקרו-מעבד מסנתזות מהר מאוד רצפים קצרים ספציפיים של DNA חד-גדילי.

רצף הבסיסים הרצוי מוזן בלוח המקשים. המיקרו-מעבד פותח את השסתומים שדרכם נוקאוטידים, כמו גם הריאגנטים והממסים הדרושים, נכנסים ברצף לעמוד הסינתזה בעזרת משאבה. העמוד מלא בחרוזי סיליקון, עליהם מורכבות מולקולות DNA. במכשיר זה מתאפשרת סינתזה של שרשראות באורך של עד 40 נוקלאוטידים במהירות של 1 נוקלאוטיד ב-30 דקות. האוליגונוקלאוטידים המתקבלים מקושרים זה לזה על ידי ליגאז DNA ליצירת נוקלאוטיד דו-גדילי. בשיטה זו התקבלו גנים לשרשראות A ו-B של אינסולין, פרואינסולין, סומטוסטטין וכו'.

סינתזת גנים אנזימטית המבוססת על RNA שליח מבודד (mRNA) היא השיטה הנפוצה ביותר כיום. ראשית, RNA שליח מבודדים מתאי, ביניהם יש mRNA המקודד על ידי הגן המיועד לבודד. לאחר מכן, בתנאים נבחרים, על ה-mRNA המבודד מהתא, כמו על מטריצה, מסונתז גדיל DNA המשלים ל-mRNA (cDNA) תוך שימוש ב-reverse transcriptase (revertase). ה-DNA המשלים המתקבל (cDNA) משמש כתבנית לסינתזה של גדיל ה-DNA השני באמצעות DNA פולימראז או reversetase. ה-priming הוא אוליגונוקלאוטיד המשלים לקצה ה-3' של ה-mRNA; גדיל DNA חדש נוצר מ-deoxynucleoside triphosphates בנוכחות יוני מגנזיום.

השיטה יושמה בהצלחה רבה כדי להשיג בשנת 1979 את הגן להורמון הגדילה האנושי (סומטוטרופין). הגן המתקבל בדרך זו או אחרת מכיל מידע על מבנה החלבון, אך אינו יכול לממש אותו בעצמו. לכן, יש צורך במנגנונים נוספים כדי לשלוט על פעולת הגן. העברת המידע הגנטי לתא הנמען מתבצעת כחלק מהווקטור. וקטור הוא בדרך כלל מולקולת DNA מעגלית המסוגלת לשכפול עצמי. הגן יחד עם הווקטור יוצר DNA רקומביננטי.

2.2. בחירת וקטורים (וירוסים, פלסמידים) המסוגלים לשכפול עצמי בתא הנמען.

המונח "וקטור" מתייחס למולקולת חומצת גרעין המסוגלת להתקיים אוטונומית לאחר החדרה לתא עקב נוכחותם של אותות שכפול ותעתוק בו.

מולקולות וקטור חייבות להיות בעלות התכונות הבאות:

1) היכולת לשכפל באופן אוטונומי בתא המקבל, כלומר להיות רפליקון עצמאי;

בהתאם למטרות הניסוי, ניתן לחלק את הווקטורים באופן מותנה לשתי קבוצות: 1) משמשים לשיבוט והגברה של הגן הרצוי; 2) מתמחה, המשמש לביטוי של גנים זרים מובנים. הקבוצה השנייה של וקטורים משלבת וקטורים שנועדו לספק סינתזה של מוצרי חלבון של גנים משובטים. וקטורי ביטוי מכילים רצפי DNA הנחוצים לתעתוק של עותקים משובטים של גנים ותרגום של ה-mRNA שלהם בזני תאים.

פלסמידים, בקטריופאג'ים משמשים כווקטורים פרוקריוטיים; כמו וקטורים אוקריוטיים, וירוסים של בעלי חיים וצמחים, נעשה שימוש בוקטורים המבוססים על 2 מיקרומטר שמרים ומיטוכונדריה, ומספר וקטורים מעוצבים באופן מלאכותי המסוגלים לשכפל גם בתאים חיידקיים וגם בתאים איקריוטיים (ווקטורי מעבורת).

פלסמידים הם אלמנטים גנטיים חוץ-כרומוזומליים של פרו-אוקריוטים המשכפלים באופן אוטונומי בתאים. רוב וקטורי הפלסמיד נגזרו מהפלסמידים הטבעיים ColE1, pMB1 ו-p15A.

פלסמידים חיידקיים מחולקים לשתי מחלקות. חלק מהפלסמידים (לדוגמה, הגורם F שנחקר היטב הקובע את המין ב-E. coli) מסוגלים בעצמם לעבור מתא לתא, בעוד שלאחרים אין יכולת זו. ממספר סיבות, ובעיקר כדי למנוע התפשטות בלתי מבוקרת של חומר גנטי שעלול להיות מסוכן, הרוב המכריע של וקטורי הפלסמידים החיידקיים נוצרו על בסיס פלסמידים מסוג II. פלסמידים טבעיים רבים כבר מכילים גנים הקובעים את עמידות התאים לאנטיביוטיקה (התוצרים של גנים אלה הם אנזימים שמשנים או מבקעים חומרים אנטיביוטיים). בנוסף, במהלך בניית וקטורים, מוחדרים לפלסמידים אלו גנים נוספים הקובעים עמידות לאנטיביוטיקה אחרת.

על איור. 1 מציג את אחד מוקטורי הפלסמיד E. coli הנפוצים ביותר, pBR322. הוא נבנה על בסיס פלסמיד E. coli שנחקר ביסודיות - הגורם הקוליצינוגני ColE1 - ומכיל את מקור השכפול של הפלסמיד הזה. המוזרות של הפלסמיד ColE1 (ו-pBR322, בהתאמה) היא שבנוכחות מעכב סינתזת חלבון, האנטיביוטיקה chloramphenicol (מעכב בעקיפין את השכפול של כרומוזום המארח), מספרו ב-E. coli עולה מ-20-50 ל-. 1000 מולקולות לתא, מה שמאפשר להשיג כמויות גדולות של גן משובט. בעת בניית וקטור pBR322 מהפלסמידים המקוריים, הואצלו מספר אתרים "נוספים" לאנדונוקליזות הגבלה.

נכון לעכשיו, יחד עם מגוון מערכות וקטוריות נוחות עבור E. coli, נבנו וקטורי פלסמיד למספר חיידקים גרם שליליים אחרים (כולל חשובים תעשייתיים כמו Pseudomonas, Rhizobium ו- Azotobacter), חיידקים גרם חיוביים (Bacillus) , פטריות נמוכות יותר (שמרים) וצמחים. .

וקטורי פלסמיד נוחים לשיבוט מקטעים קטנים יחסית (עד 10 קילובייט) של גנומים קטנים. אם נדרש להשיג ספריית שיבוטים (או ספרייה) של גנים של צמחים ובעלי חיים גבוהים, שאורכו הכולל של הגנום מגיע לגדלים עצומים, אז וקטורי פלסמיד קונבנציונליים אינם מתאימים למטרות אלו. הבעיה של יצירת ספריות גנים לאאוקריוטים גבוהים יותר נפתרה באמצעות נגזרות של בקטריופאג' l בתור וקטורי שיבוט.

בין וקטורי הפאג', המערכות הנוחות ביותר נוצרו על בסיס הגנום של הבקטריופאג'ים l ו-M13 E. coli. ה-DNA של הפאג'ים הללו מכיל אזורים מורחבים שניתן להאציל או להחליף ב-DNA זר מבלי להשפיע על יכולתם להשתכפל בתאי E. coli. בעת בניית משפחת וקטורים המבוססת על l phage DNA, הוסרו ממנו תחילה אתרי הגבלה רבים (על ידי חלוקת מקטעי DNA קצרים) מהאזור שאינו חיוני לשכפול DNA, ואתרים כאלה הושארו באזור המיועד להטמעת זר DNA. גנים סמנים מוכנסים לעתים קרובות לאותו אזור כדי להבחין בין ה-DNA הרקומביננטי מהוקטור המקורי. וקטורים כאלה נמצאים בשימוש נרחב להשגת "ספריות גנים". גודלו של הפרגמנט המוחלף של ה-DNA הפאג ובהתאם, האזור המוחדר של ה-DNA הזר מוגבל ל-15-17 אלף שיירי נוקלאוטידים, שכן גנום הפאג הרקומביננטי, שגדול ב-10% או קטן ב-75% מגנום הפאג הפראי L. , לא ניתן עוד לארוז לתוך חלקיקי פאג.

איור 1. מפת הגבלה מפורטת של פלסמיד pBR322.

הגבלות כאלה באופן תיאורטי אינן קיימות עבור וקטורים שנבנו על בסיס הבקטריופאג החוטים M13. תוארו מקרים שבהם DNA זר באורך של כ-40 אלף שיירי נוקלאוטידים הוכנס לגנום של הפאג' הזה. עם זאת, ידוע כי הפאג M13 הופך ללא יציב כאשר אורך ה-DNA הזר עולה על 5 kb. למעשה, וקטורים שמקורם ב-DNA הפאג M13 משמשים בעיקר לריצוף גנים ולמוטגנזה, וגודלם של הפרגמנטים המוכנסים אליהם קטן בהרבה.

וקטורים אלו בנויים מצורת DNA רפליקטיבית (דו-גדילית) של הפאג M13, שלתוכו מוטמעים אזורי "פולילינקר" (דוגמה לבנייה כזו מוצגת באיור 5). DNA כלול בחלקיק הפאג' בצורה של מולקולה חד-גדילית. לפיכך, וקטור זה מאפשר להשיג גן משובט או קטע שלו בצורות דו-גדיליות וגם בצורות חד-גדיליות. צורות חד-גדיליות של DNA רקומביננטי נמצאות כיום בשימוש נרחב בקביעת רצף הנוקלאוטידים של ה-DNA בשיטת Sanger ולמוטגנזה גנטית מכוונת אוליגודאוקסינוקלאוטידים.

העברת גנים זרים לתאי בעלי חיים מתבצעת באמצעות וקטורים שמקורם ב-DNA של מספר וירוסים של בעלי חיים שנחקרו היטב - SV40, חלק מנגיפים אדנו, וירוס פפילומה בקר, וירוס אבעבועות שחורות וכן הלאה. בניית הווקטורים הללו מתבצעת על פי הסכימה הסטנדרטית: הסרת אתרים "נוספים" ל-restrictases, החדרת גנים סמן באזורי DNA שאינם חיוניים לשכפול שלו (לדוגמה, הגן thymidine kinase (tk) מ-HSV (נגיף הרפס)), הכנסת אזורים מווסתים, הגדלת רמת ביטוי הגנים.

מה שנקרא "ווקטורי המעבורת", שיכולים לשכפל גם בתאי בעלי חיים וגם בתאי חיידקים, התבררו כנוחים. הם מיוצרים על ידי תפירה של מקטעים גדולים של וקטורים של בעלי חיים וחיידקים (למשל SV40 ו-pBR322) כך שהאזורים האחראים לשכפול ה-DNA נשארים לא מושפעים. זה מאפשר לבצע את הפעולות הבסיסיות של בניית וקטור בתא חיידקי (שזה הרבה יותר קל מבחינה טכנית), ולאחר מכן להשתמש ב-DNA הרקומביננטי שנוצר כדי לשבט גנים בתא של חיה.

איור 2. מפת הגבלה של וקטור M13 mp8.

2.3. השגת DNA רקומביננטי.

המהות של בניית ה-DNA הרקומביננטי היא להטמיע שברי DNA, ביניהם קטע ה-DNA שמעניין אותנו, במה שנקרא מולקולות DNA וקטור (או פשוט וקטורים) - פלסמיד או DNA ויראלי שניתן להעביר לפרו- או תאים איקריוטיים ושם מובאים לשכפול אוטונומי. בשלב הבא, נבחרים התאים הנושאים DNA רקומביננטי (באמצעות תכונות סמן שיש לוקטור עצמו), ולאחר מכן שיבוטים בודדים עם מקטע ה-DNA שמעניין אותנו (באמצעות תכונות או דגימות ספציפיות לגן או אזור DNA נתון) .

כאשר פותרים מספר בעיות מדעיות וביוטכנולוגיות, עיצוב ה-DNA הרקומביננטי דורש גם יצירת מערכות המספקות ביטוי מרבי של הגן המשובט.

ישנן שלוש דרכים עיקריות להחדרת DNA זר למולקולות וקטוריות. במקרה הראשון, קצוות ה-3 אינץ' של שברי ה-DNA, ביניהם קטע ה-DNA שמעניין אותנו (גן או מקטע שלו, אזור רגולטורי), באמצעות האנזים הטרמינלי נוקלאוטידילטרנספראז, מורחבים עם רצף הומופולינוקלאוטידים (לדוגמה, פולי (T)). קצוות 3" של DNA וקטור בצורה לינארית מורחבים באותו אופן עם רצף ההומפולינוקלאוטידים המשלים שלו (כלומר, פולי(A)). זה מאפשר לחבר שתי מולקולות DNA על ידי זיווג משלים של קצוות "דביקים" המיוצרים באופן מלאכותי.

במקרה השני, קצוות "דביקים" נוצרים על ידי ביקוע מולקולות DNA (הן וקטוריות והן המכילות את הפרגמנט המעניין אותנו) עם אחת מהאנדונוקליזות ה-restrictase (restrictases). אנזימי הגבלה מאופיינים בספציפיות גבוהה במיוחד. הם "מזהים" רצף של מספר שיירי נוקלאוטידים ב-DNA ומבקעים בהם קשרים בין-נוקלאוטידים מוגדרים בקפדנות. לכן, אפילו ב-DNA גדול, אנזימי הגבלה מציגים מספר מוגבל של הפסקות.

השיטה השלישית היא שילוב של השניים הראשונים, כאשר קצוות דביקים של DNA שנוצרו על ידי אנזים הגבלה מורחבים על ידי רצפים סינתטיים (איור 3).

ניתן להפוך את הקצוות של שברי DNA ל"דביקים" על ידי הארכתם עם אוליגונוקלאוטידים דו-גדיליים ("מקשרים"), הכוללים אתר זיהוי הגבלה.

איור 3. ערכת בניית DNA רקומביננטי באמצעות אנזימים הגבלה PstI ומקשר poly(G)-poly(C).

זוי. טיפול בפרגמנט כזה באנזים הגבלה נתון הופך אותו למתאים להחדרה למולקולת DNA וקטורית מבוקעת עם אותו אנזים הגבלה. לעתים קרובות, קטעי פולינוקלאוטידים משמשים כ"מקשר", המכילים אתרים ספציפיים למספר ריסטרטאזים בו-זמנית (הם נקראים "פולילינקרים").

לאחר החדרת DNA זר לוקטור, ההצלבה הקוולנטית שלהם מתבצעת על ידי ליגאז DNA. אם גודל הפער במולקולה המשולבת עולה על קשר פוספודיסטר אחד, הוא נבנה במבחנה בעזרת DNA פולימראז או in vivo בעזרת מערכות תיקון תאים.

2.4. החדרת DNA רקומביננטי לתא - נמען

העברת ה-DNA הרקומביננטי מתבצעת על ידי טרנספורמציה או צימוד. טרנספורמציה היא תהליך של שינוי התכונות הגנטיות של התא כתוצאה מחדירת DNA זר לתוכו. זה התגלה לראשונה בפנאומוקוקים על ידי F. Giffith, שהראה שתאים מסוימים של זני חיידקים לא ארסיים, כשהם מדביקים עכברים, מקבלים תכונות פתוגניות יחד עם זנים ארסיים. לאחר מכן, טרנספורמציה הוכחה ונחקרה במינים שונים של חיידקים. הוכח שרק חלק מהתאים המכונים "מוסמכים" (המסוגלים לכלול DNA זר ולסנתז חלבון מתמר מיוחד) מסוגלים לבצע טרנספורמציה. יכולת התא נקבעת גם על ידי גורמים סביבתיים. ניתן להקל על כך על ידי טיפול בתאים בפוליאתילן גליקול או סידן כלורי. לאחר החדירה לתא, אחד הגדילים של ה-DNA הרקומביננטי מתפרק, והשני, עקב ריקומבינציה עם האזור ההומולוגי של ה-DNA המקבל, ניתן לשילוב בכרומוזום או ביחידה החוץ-כרומוזומלית. טרנספורמציה היא הדרך האוניברסלית ביותר להעברת מידע גנטי והיא בעלת החשיבות הגדולה ביותר עבור טכנולוגיות גנטיות.

צימוד היא אחת משיטות החלפת החומר הגנטי, שבה ישנה העברה חד כיוונית של מידע גנטי מתורם למקבל. העברה זו נמצאת בשליטה של ​​פלסמידים מצומדים ספציפיים (גורם פוריות). העברת המידע מתא התורם למקבל מתבצעת באמצעות נטיעות איברי מין מיוחדות (שתיה). כמו כן, ניתן להעביר מידע באמצעות פלסמידים שאינם מצומדים בהשתתפות פלסמידים עוזרים.העברה של כל מערך הגנים של הנגיף או הפאג, המובילה להתפתחות חלקיקי הפאג בתא, נקראת טרנספקציה. הטכניקה המיושמת על תאי חיידקים כוללת השגת ספרופלסטים, ניקוי מצע הדגירה מנוקלאזות והוספת DNA של פאג'ים מטוהרים (נוכחות פרוטמין סולפט מגבירה את יעילות ההעברה). הטכניקה ישימה על תאי בעלי חיים וצמחים באמצעות וקטורים ויראליים מיוחדים של מעבורת.

3.

כאשר מיושמת על בני אדם, ניתן להשתמש בהנדסה גנטית לטיפול במחלות תורשתיות. עם זאת, מבחינה טכנית, יש הבדל משמעותי בין טיפול במטופל עצמו לבין שינוי הגנום של צאצאיו.

המשימה של שינוי הגנום של מבוגר היא קצת יותר קשה מגידול גזעים חדשים של בעלי חיים מהונדסים גנטית, שכן במקרה זה יש צורך לשנות את הגנום של תאים רבים של אורגניזם שכבר נוצר, ולא רק ביצית עוברית אחת. לשם כך, מוצע להשתמש בחלקיקים ויראליים כווקטור. חלקיקי וירוס מסוגלים לחדור לתוך אחוז ניכר מהתאים הבוגרים, ולהטמיע בתוכם את המידע התורשתי שלהם; רבייה מבוקרת אפשרית של חלקיקים ויראליים בגוף. במקביל, כדי להפחית את תופעות הלוואי, מנסים מדענים להימנע מהחדרת DNA מהונדס גנטית לתאי איברי המין, ובכך להימנע מחשיפה לצאצאי החולה העתידיים. ראוי לציין גם את הביקורת המשמעותית על הטכנולוגיה הזו בתקשורת: התפתחותם של וירוסים מהונדסים גנטית נתפסת בעיני רבים כאיום על האנושות כולה.

בעזרת ריפוי גנטי בעתיד, ניתן לשנות את הגנום האנושי. נכון לעכשיו, שיטות יעילות לשינוי הגנום האנושי נמצאות בפיתוח ובבדיקה בפרימטים. במשך תקופה ארוכה התמודדה ההנדסה הגנטית של קופים בקשיים רציניים, אך ב-2009 הוכתרו הניסויים בהצלחה: בכתב העת Nature הופיע פרסום על שימוש מוצלח בוקטורים ויראליים מהונדסים גנטית לטיפול בקוף זכר בוגר מעיוורון צבעים. באותה שנה, הפרימאט שעבר שינוי גנטי הראשון (שגדל מביצה שעברה שינוי) הוליד צאצאים - המרמוסה המצוי.

אמנם בקנה מידה קטן, הנדסה גנטית כבר נמצאת בשימוש כדי לתת לנשים עם סוגים מסוימים של אי פוריות הזדמנות להיכנס להריון. לשם כך משתמשים בביצית מאישה בריאה. כתוצאה מכך, הילד יורש את הגנוטיפ מאב אחד ושתי אמהות.

עם זאת, האפשרות להכניס שינויים משמעותיים יותר בגנום האנושי מתמודדת עם מספר בעיות אתיות חמורות.

סיכום

כתוצאה מפיתוח אינטנסיבי של שיטות הנדסה גנטית, שיבוטים של גנים רבים של RNA ריבוזומלי, תחבורה ו-5S, היסטונים, עכברים, ארנבים, גלובין אנושי, קולגן, אולבומין, אינסולין אנושי והורמונים פפטידים אחרים, אינטרפרון אנושי וכו'. הושגה.

זה איפשר ליצור זני חיידקים המייצרים חומרים פעילים ביולוגית רבים המשמשים ברפואה, בחקלאות ובתעשייה המיקרוביולוגית.

על בסיס הנדסה גנטית קם ענף של תעשיית התרופות בשם "תעשיית ה-DNA". זהו אחד מענפי הביוטכנולוגיה המודרניים.

אינסולין אנושי (הומולין) המתקבל באמצעות recDNA מאושר לשימוש טיפולי. בנוסף, בהתבסס על מוטנטים רבים עבור גנים בודדים שהתקבלו במהלך המחקר שלהם, נוצרו מערכות בדיקה יעילות ביותר לזיהוי פעילות גנטית של גורמים סביבתיים, כולל זיהוי של תרכובות מסרטנות.

הפניות:

1) בקיש או.-י.ל. ביולוגיה רפואית. - מינסק: Urajay, 2000. - עמ' 114-119.

2) מוטובין ג.ר. יסודות הגנטיקה הקלינית. - מ.: בית ספר גבוה, 1997. - עמ'. 83-84.

3) ארנב ר.ש. יסודות הגנטיקה הרפואית. - מינסק: בית ספר גבוה, 1998. - עמ'. 60-65.

4) biotechnolog.ru

לְתַכְנֵן:

מבוא.

1. מהות ההנדסה הגנטית.

1.1. היסטוריה של הנדסה גנטית

1.2. הרעיון של הנדסה גנטית

1.3. מטרות ויעדים של הנדסה גנטית

2. שלבים של יצירת אורגניזמים עם תוכנית מהונדסת גנטית.

2.1. בידוד של גנים (טבעיים או מסונתזים) המכילים את המידע הדרוש.

2.2. בחירת וקטורים (וירוסים, פלסמידים) המסוגלים לשכפול עצמי בתא הנמען.

2.3. השגת DNA רקומביננטי.

2.4. הכנסת DNA רקומביננטי לתא - נמען.

3.יישום טכנולוגיות הנדסה גנטית ברפואה.

חשיבות כלכלית

הנדסה גנטית משמשת להשגת התכונות הרצויות של אורגניזם שונה או מהונדס גנטית. בניגוד לגידול מסורתי, שבמהלכו משתנה הגנוטיפ רק בעקיפין, הנדסה גנטית מאפשרת להתערב ישירות במנגנון הגנטי, באמצעות טכניקה של שיבוט מולקולרי. דוגמאות ליישומים של הנדסה גנטית הן ייצור של זנים מהונדסים גנטית של יבולים, ייצור אינסולין אנושי באמצעות חיידקים מהונדסים גנטית, ייצור אריתרופויאטין בתרבית תאים, או גזעים חדשים של עכברי ניסוי למחקר מדעי.

הבסיס של התעשייה המיקרוביולוגית, הביוסינתטית, הוא תא החיידק. התאים הנדרשים לייצור תעשייתי נבחרים על פי קריטריונים מסוימים, החשוב שבהם הוא היכולת לייצר, לסנתז, בכמות המקסימלית האפשרית, תרכובת מסוימת - חומצת אמינו או אנטיביוטיקה, הורמון סטרואידי או חומצה אורגנית . לפעמים יש צורך במיקרואורגניזם שיכול, למשל, להשתמש בשמן או בשפכים כ"מזון" ולעבד אותם לביומסה או אפילו חלבון המתאים למדי לתוספי מזון. לפעמים יש צורך באורגניזמים שיכולים לגדול בטמפרטורות גבוהות או בנוכחות חומרים קטלניים ללא ספק לסוגים אחרים של מיקרואורגניזמים.

המשימה של השגת זנים תעשייתיים כאלה חשובה מאוד, לשינוי ולבחירתם פותחו שיטות רבות להשפעה פעילה על התא - מטיפול ברעלים חזקים ועד הקרנה רדיואקטיבית. מטרת הטכניקות הללו זהה - להשיג שינוי במנגנון התורשתי, הגנטי של התא. התוצאה שלהם היא ייצור של חיידקים מוטנטים רבים, ממאות ואלפים מהם מנסים מדענים לבחור את המתאים ביותר למטרה מסוימת. יצירת טכניקות למוטגנזה כימית או קרינה הייתה הישג יוצא דופן בביולוגיה ונמצאת בשימוש נרחב בימינו. ביוטכנולוגיה.

אבל היכולות שלהם מוגבלות על ידי אופי המיקרואורגניזמים עצמם. הם אינם מסוגלים לסנתז מספר חומרים יקרי ערך המצטברים בצמחים, בעיקר שמן רפואי ואתרי. הם לא יכולים לסנתז חומרים חשובים מאוד לחיים של בעלי חיים ובני אדם, מספר אנזימים, הורמונים פפטידים, חלבונים חיסוניים, אינטרפרונים ועוד הרבה תרכובות פשוטות המסונתזות בבעלי חיים ובבני אדם. כמובן, האפשרויות של מיקרואורגניזמים רחוקות מלהיות מוצו. מתוך שפע המיקרואורגניזמים, רק חלק זעיר שימש את המדע, ובמיוחד את התעשייה. למטרות בחירת מיקרואורגניזמים, מעניינים מאוד, למשל, חיידקים אנאירוביים שיכולים לחיות בהיעדר חמצן, פוטוטרופים המשתמשים באנרגיית אור כמו צמחים, כימואוטוטרופים, חיידקים תרמופילים שיכולים לחיות בטמפרטורה, כפי שהתגלה לאחרונה. , של כ-110 מעלות צלזיוס וכו'.

ובכל זאת המגבלות של "חומר טבעי" ברורות. הם ניסו ומנסים לעקוף את ההגבלות בעזרת תרביות תאים ורקמות של צמחים ובעלי חיים. זו דרך מאוד חשובה ומבטיחה, שגם מיושמת בה ביוטכנולוגיה. במהלך העשורים האחרונים, מדענים פיתחו שיטות שבאמצעותן ניתן לגרום לתאים בודדים של רקמת צמח או חיה לגדול ולהתרבות בנפרד מהגוף, כמו תאי חיידקים. זה היה הישג חשוב - תרביות התאים המתקבלות משמשות לניסויים ולייצור תעשייתי של חומרים מסוימים שלא ניתן להשיג באמצעות תרביות חיידקים.

היסטוריה של פיתוח ורמת טכנולוגיה שהושגה

במחצית השנייה של המאה ה-20 התגלו כמה תגליות והמצאות חשובות שעומדות בבסיסן הנדסה גנטית. שנים רבות של ניסיונות "לקרוא" את המידע הביולוגי ש"מתועד" בגנים הושלמו בהצלחה. עבודה זו החלה על ידי המדען האנגלי פ. סנגר והמדען האמריקאי W. Gilbert (פרס נובל בכימיה). כידוע, גנים מכילים מידע-הוראה לסינתזה של מולקולות RNA וחלבונים בגוף, כולל אנזימים. כדי לאלץ תא לסנתז עבורו חומרים חדשים ויוצאי דופן, יש צורך לסנתז בו את קבוצות האנזימים המקבילות. ולשם כך יש צורך או לשנות בכוונה את הגנים שבו, או להכניס לתוכו גנים חדשים שנעדרו בעבר. שינויים בגנים בתאים חיים הם מוטציות. הם מתרחשים בהשפעת, למשל, מוטגנים - רעלים כימיים או קרינה. אבל לא ניתן לשלוט או לכוון שינויים כאלה. לכן, מדענים ריכזו את מאמציהם בניסיון לפתח שיטות להחדרת גנים חדשים, מאוד ספציפיים לתא, שאדם צריך.

השלבים העיקריים לפתרון בעיית ההנדסה הגנטית הם כדלקמן:

1. השגת גן מבודד. 2. הכנסת גן לוקטור לצורך העברה לאורגניזם. 3. העברה של וקטור עם גן לאורגניזם שונה. 4. טרנספורמציה של תאי הגוף. 5. בחירה של אורגניזמים מהונדסים גנטית ( GMO) וביטול אלה שלא שונו בהצלחה.

תהליך סינתזת הגנים כיום מפותח מאוד ואף אוטומטי במידה רבה. ישנם מכשירים מיוחדים המצוידים במחשבים, שבזכרונם מאוחסנות תוכניות לסינתזה של רצפי נוקלאוטידים שונים. מנגנון כזה מסנתז מקטעי DNA באורך של עד 100-120 בסיסים חנקניים (אוליגונוקלאוטידים). טכניקה הפכה לנפוצה המאפשרת שימוש בתגובת שרשרת פולימראז לסינתזת DNA, כולל DNA מוטנטי. אנזים יציב תרמי, DNA פולימראז, משמש בו לסינתזת דנ"א תבנית, המשמש כזרע לחלקים מסונתזים מלאכותית של חומצת גרעין - אוליגונוקלאוטידים. אנזים ה-Reverse transcriptase מאפשר, באמצעות פריימרים (פריימרים) כאלה, לסנתז DNA על מטריצה ​​של RNA המבודדת מתאי. DNA המסונתז בדרך זו נקרא משלים (RNA) או cDNA. ניתן להשיג גן מבודד, "טהור מבחינה כימית" גם מספריית פאג'ים. זהו שמו של תכשיר בקטריופאג', שבגנום שלו מוחדרים קטעים אקראיים מהגנום או ה-cDNA, המשוכפלים על ידי הפאג יחד עם כל ה-DNA שלו.

הטכניקה של החדרת גנים לחיידקים פותחה לאחר שפרדריק גריפית' גילה את תופעת הטרנספורמציה של חיידקים. תופעה זו מבוססת על תהליך מיני פרימיטיבי, אשר בחיידקים מלווה בהחלפה של שברים קטנים של DNA לא כרומוזומלי, פלסמידים. טכנולוגיות פלסמיד היוו את הבסיס להחדרת גנים מלאכותיים לתאי חיידקים.

קשיים משמעותיים היו קשורים להחדרת גן מוכן למנגנון התורשתי של תאי צמחים ובעלי חיים. עם זאת, בטבע ישנם מקרים שבהם DNA זר (של וירוס או בקטריופאג') נכלל במנגנון הגנטי של התא ובעזרת מנגנוני המטבוליזם שלו, מתחיל לסנתז חלבון "שלו". מדענים חקרו את התכונות של החדרת DNA זר והשתמשו בו כעיקרון להחדרת חומר גנטי לתא. תהליך זה נקרא טרנספקציה.

אם אורגניזמים חד-תאיים או תרבויות של תאים רב-תאיים משתנים, אזי השיבוט מתחיל בשלב זה, כלומר הבחירה של אותם אורגניזמים וצאצאיהם (השיבוטים) שעברו שינוי. כאשר המשימה מוגדרת להשיג אורגניזמים רב-תאיים, תאים עם גנוטיפ שונה משמשים להתרבות וגטטיבית של צמחים או מוזרקים לבלסטוציסטים של אם פונדקאית כשמדובר בבעלי חיים. כתוצאה מכך, גורים נולדים עם גנוטיפ שונה או ללא שינוי, שביניהם נבחרים ומצטלבים בינם לבין עצמם רק אלו שמראים את השינויים הצפויים.

יישום במחקר מדעי

אמנם בקנה מידה קטן, הנדסה גנטית כבר נמצאת בשימוש כדי לתת לנשים עם סוגים מסוימים של אי פוריות הזדמנות להיכנס להריון. כדי לעשות זאת, השתמש בביצים של אישה בריאה. כתוצאה מכך, הילד יורש את הגנוטיפ מאב אחד ושתי אמהות.

עם זאת, האפשרות להכניס שינויים משמעותיים יותר בגנום האנושי מתמודדת עם מספר בעיות אתיות חמורות.