הנדסה גנטית- זהו תחום של ביוטכנולוגיה, הכולל פעולות לסידור מחדש של גנוטיפים. גם כיום, הנדסה גנטית מאפשרת להפעיל ולכבות גנים בודדים, ובכך לשלוט בפעילות האורגניזמים, וגם להעביר הוראות גנטיות מאורגניזם אחד לאחר, כולל אורגניזמים ממין אחר. ככל שגנטיקאים לומדים יותר ויותר על עבודתם של גנים וחלבונים, זה הופך ליותר ויותר אמיתי להיות מסוגל לתכנת באופן שרירותי את הגנוטיפ (בעיקר אנושי), ולהשיג בקלות כל תוצאה: כמו עמידות לקרינה, היכולת לחיות מתחת למים , היכולת להתחדשות של איברים פגומים ואפילו אלמוות.

מידע גנטי. מידע גנטי (גנום) כלול בתא בכרומוזומים (יש 46 בבני אדם), המורכב ממולקולת DNA וחלבוני האריזה שלה, וכן במיטוכונדריה. DNA (חומצה דאוקסיריבונוקלאית) הוא רצף של נוקלאוטידים, שכל אחד מכיל אחד מארבעת החנקניים. מנקודת מבט תפקודית, ה-DNA מורכב מגושים רבים (רצפי נוקלאוטידים) האוגרים כמות מסוימת של מידע - גנים.

גן הוא קטע של מולקולת DNA המכיל מידע על המבנה הראשוני של חלבון בודד (גן אחד - חלבון אחד). המכלול של כל הגנים של האורגניזם מרכיב את הגנוטיפ שלו. כל תאי הגוף מכילים את אותה קבוצה של גנים, אך כל אחד מהם מיישם חלק אחר מהמידע המאוחסן. רק אותם גנים פעילים הנחוצים לתפקוד של תא נתון, לכן, למשל, נוירונים שונים מתאי כבד הן בתכונות המבניות והן בתכונות הפונקציונליות והביולוגיות.

תפקידם של חלבונים בגוף. חלבונים הם המולקולות החשובות ביותר בכל אורגניזם חי, הבסיס הכימי של החומר החי. לפי הגדרתו של אנגלס, "החיים הם אופן הקיום של גופי חלבון". חלבונים מבצעים חילוף חומרים (הובלה של חומרים בגוף) ותמורות אנרגיה, מספקים את הבסיס המבני של רקמות, משמשים כזרזים לתגובות כימיות, מגנים על אורגניזמים מפני פתוגנים ונושאים מסרים המווסתים את פעילות הגוף. מבחינה כימית, חלבונים הם שרשרת של חומצות אמינו המקופלות בחלל בצורה מיוחדת. אחד מתפקידי החלבונים הוא הפעלת גנים. גנים מסוימים מכילים שברים המושכים חלבונים מסוימים לעצמם. אם חלבונים כאלה נמצאים בתא, הם נצמדים לאזור זה של הגן ועשויים לאפשר או לאסור את העתקתו ל-RNA. נוכחות או היעדר חלבונים מווסתים כאלה בתא קובעים אילו גנים מופעלים, ומכאן אילו חלבונים חדשים מסונתזים. מנגנון ויסות זה הוא שקובע אם התא צריך לתפקד כתא שריר או כתא עצב, או איזה חלק בגוף צריך להתפתח בחלק זה של העובר. אם אתה מכניס גנים חדשים לאורגניזם (צמח, מיקרואורגניזם, בעל חיים או אפילו אדם), אז אתה יכול להעניק לו מאפיין רצוי חדש שמעולם לא היה לו קודם לכן.

הנדסה גנטית מתחילה בשנת 1973, כאשר הגנטיקאים סטנלי כהן והרברט בוייר הכניסו גן חדש לחיידק Escherichia coli (E. coli). מאז 1982, חברות בארה"ב, יפן, בריטניה הגדולה ומדינות נוספות מייצרות אינסולין מהונדס גנטית. . גנים משובטים לאינסולין אנושי הוכנסו לתא חיידקי, שם החלה סינתזה של הורמון שזני חיידקים טבעיים מעולם לא סינתזו. כ-200 תרופות אבחנתיות חדשות כבר הוכנסו לפרקטיקה הרפואית, ויותר מ-100 תרופות מהונדסות גנטית נמצאות בשלב של מחקר קליני. ביניהן תרופות המרפאות ארתרוזיס, מחלות לב וכלי דם, כמה תהליכים גידוליים, ואולי אפילו איידס. מבין כמה מאות חברות להנדסה גנטית, 60% עובדים על ייצור תרופות ודיאגנוסטיקה.

הנדסה גנטית בחקלאות. עד סוף שנות ה-80, גנים חדשים הוכנסו בהצלחה לעשרות מיני צמחים ובעלי חיים - צמחי טבק בעלי עלים זוהרים, עגבניות עמידות לכפור ותירס עמיד לחומרי הדברה. אחת המשימות החשובות היא להשיג צמחים עמידים בפני וירוסים, שכן כיום אין דרכים אחרות להילחם בזיהומים ויראליים של גידולים חקלאיים. החדרת גנים של חלבון מעטפת הנגיף לתאי הצמח הופכת את הצמחים לעמידים לנגיף זה. נכון להיום, התקבלו צמחים מהונדסים שיכולים לעמוד בהשפעות של יותר מתריסר זיהומים ויראליים שונים. משימה נוספת קשורה להגנה על צמחים מפני מזיקים של חרקים. השימוש בקוטלי חרקים אינו יעיל לחלוטין. במעבדות ההנדסה הגנטית של בלגיה וארה"ב בוצעה בהצלחה עבודה להחדרת לתא הצמח את הגנים של חיידק האדמה Bacillus thuringiensis, המאפשרים לסנתז קוטלי חרקים ממקור חיידקי. גנים אלו הוכנסו לתאים של תפוחי אדמה, עגבניות וכותנה. צמחי תפוחי אדמה ועגבניות מהונדסים הפכו עמידים בפני חיפושית תפוחי האדמה הקולורדו הבלתי מנוצחת, צמחי כותנה היו עמידים בפני חרקים שונים, כולל תולעת הכותנה. השימוש בהנדסה גנטית הפחית את השימוש בקוטלי חרקים ב-40-60%. מהנדסים גנטיים גידלו צמחים מהונדסים עם תקופת הבשלת פירות ממושכת. עגבניות כאלה, למשל, ניתן להסיר מהשיח באדום, ללא חשש שהן יבשילו יתר על המידה במהלך ההובלה. רשימת הצמחים עליהם יושמו בהצלחה שיטות הנדסה גנטית היא כחמישים מינים, ביניהם תפוח, שזיף, ענבים, כרוב, חצילים, מלפפון, חיטה, סויה, אורז, שיפון ועוד צמחים חקלאיים רבים אחרים.

טיפול גנטי אנושי

בבני אדם נעשה לראשונה שימוש בטכנולוגיה של הנדסה גנטית לטיפול באשנטי דה סילבה, ילדה בת ארבע שסבלה מצורה חמורה של כשל חיסוני. הגן המכיל את ההוראות לייצור חלבון אדנוזין דמינאז (ADA) נפגע בה. וללא חלבון ADA, תאי דם לבנים מתים, ומותירים את הגוף חסר הגנה מפני וירוסים וחיידקים. עותק עבודה של הגן ADA הוכנס לתאי דם אשנטי באמצעות וירוס שונה. תאים הצליחו לייצר באופן עצמאי את החלבון הדרוש. לאחר 6 חודשים עלה מספר התאים הלבנים בגופה של הילדה לרמה תקינה. לאחר מכן, תחום הריפוי הגנטי קיבל דחיפה להמשך התפתחות. מאז שנות ה-90, מאות מעבדות עורכות מחקר על השימוש בריפוי גנטי לטיפול במחלות. כיום אנו יודעים שטיפול גנטי יכול לטפל בסוכרת, אנמיה, סוגים מסוימים של סרטן, מחלת הנטינגטון ואפילו עורקים נקיים. יותר מ-500 ניסויים קליניים בסוגים שונים של ריפוי גנטי מתנהלים כיום. תנאים סביבתיים לא נוחים ועוד מספר סיבות דומות מובילים לכך שיותר ויותר ילדים נולדים עם פגמים תורשתיים חמורים. כיום ידועות 4,000 מחלות תורשתיות, שלרובן לא נמצאו טיפולים יעילים. כיום ניתן לאבחן מחלות גנטיות רבות גם בשלב העובר או העובר. עד כה ניתן להפסיק הריון רק בשלב מוקדם מאוד במקרה של פגמים גנטיים חמורים, אך בקרוב ניתן יהיה לתקן את הקוד הגנטי, לתקן ולייעל את הגנוטיפ של הילד שטרם נולד. זה ימנע לחלוטין מחלות גנטיות וישפר את המאפיינים הגופניים, הנפשיים והנפשיים של הילדים.

פרויקט הגנום האנושי. בשנת 1990 הושק בארצות הברית פרויקט הגנום האנושי, שמטרתו הייתה לקבוע את כל השנה הגנטית של אדם. הפרויקט, שבו גם גנטיקאים רוסים מילאו תפקיד חשוב, הסתיים ב-2003. כתוצאה מהפרויקט, 99% מהגנום נקבע בדיוק של 99.99% (שגיאה אחת לכל 10,000 נוקלאוטידים). השלמת הפרויקט כבר הביאה לתוצאות מעשיות, כמו בדיקות קלות לשימוש שיכולות לקבוע את הנטייה הגנטית למחלות תורשתיות רבות. לדוגמה, הובעו תקוות שבזכות פענוח הגנום, יפותחו תרופות לטיפול במחלה מסוכנת כמו איידס עד 2006, גנים הקשורים לניאופלזמות ממאירות יזוהו עד 2009 ויוקמו מנגנונים. עד 2010-2015. כמעט כל סוגי הסרטן. עד שנת 2020 עשויה להסתיים פיתוח תרופות המונעות סרטן.

נקודות מבט על בקרת גנים. פיתוח ההנדסה הגנטית יאפשר לשפר את הגנוטיפ האנושי.המשימות רחבות ההיקף העומדות בפני האנושות כיום דורשות אנשים מוכשרים בתחומים רבים, אישיות מושלמת ומפותחת עם בריאות אידיאלית, יכולות פיזיות ונפשיות גבוהות ביותר. אנשים כאלה יכולים להיווצר בשיטות של הנדסה גנטית, גנטית ותאית. שיטות אלו יחולו הן על ילדים שזה עתה נולדו והן על מבוגרים. אדם יוכל להרבות ביכולותיו שלו, ולהגדיל את יכולות ילדיו. מנקודת מבט אובייקטיבית, אין בזה שום דבר פסול או לא אתי. כבר היום, מדענים רבים בעלי שם עולמי, כמו ווטסון, אחד ממגלי ה-DNA, אומרים שהטיפשות האנושית, למשל, היא בעצם מחלה גנטית וניתן יהיה לרפא אותה בעתיד. הגורמים הגנטיים למחלות יבוטלו לחלוטין, כל האנשים יהיו בריאים לחלוטין. ההזדקנות תיעצר ואף אחד לא יצטרך להתמודד עם קמלה, עם ירידה בכוח, עם דלדול. אנשים יהפכו למעשה לאלמוות - המוות יהפוך להתרחשות נדירה יותר ויותר, ויפסיק להיות בלתי נמנע. ידוע, למשל, שאחד הגורמים להזדקנות הוא קיצור הטלומרים בכל חלוקת תא. בסוף שנות ה-90 הצליחו מדענים להחדיר לתאים את הגן שגילו, שאחראי לייצור חלבון הטלומראז, המשקם את הטלומרים, ובכך להפוך אותם לבני אלמוות. כמובן, קבוצות נפרדות, שאינן עמוסות בידע רלוונטי, אלא שואפות למטרות אישיות, אידיאולוגיות או לובי, עשויות לנסות לאסור טכנולוגיות כאלה, אבל כפי שעולה מההיסטוריה של התפתחות המדע, הן לא יוכלו לעשות זאת. במשך זמן רב.

הנדסה גנטית עשתה פריצת דרך בטיפול בסרטן. סטיבן רוזנברג ועמיתיו במכון הלאומי לסרטן בארה"ב (המכון הלאומי לסרטן) בדקו שיטה חדשה למלחמה בגידולים במספר חולים, המבוססת על החדרת תאי חיסון מעוצבים מחדש לגוף. זוכרים איך לאחרונה הצליחו מדענים "ללמד" את מערכת החיסון של עכברים להילחם ביעילות בגידולים סרטניים על ידי השתלת תאי דם לבנים שנלקחו מאנשים חסינים באופן טבעי לסרטן (אחרי הכל, אורגניזמים כאלה קיימים)? כעת נוסתה שיטה דומה לטיפול בסרטן על בני אדם. ראשית, מחברי העבודה לקחו תאי חיסון - לימפוציטים מסוג T - מאדם שבגלל מאפייניו הטבעיים הצליח "להבריח" מלנומה. מדענים זיהו בהם את הגנים האחראים על פעולת הקולטן המזהה תאים סרטניים, ושכפלו את הגן הזה. אחר כך הם לקחו לימפוציטים מסוג T ממספר חולים עם מלנומה ובעזרת נגיף רטרו, הכניסו לתוכם גן מלאכותי ומשובט. לאחר מכן, החולים עברו טיפול כימותרפי שהותיר את מערכת החיסון שלהם מוחלשת, עם מעט מאוד תאי חיסון ששרדו. זה היה אז שהחולים הללו קיבלו בחזרה תאי T משלהם, שנלקחו קודם לכן, אך כעת עם גן חדש שהוכנס אליהם (לפרטים נוספים, ראה הודעה לעיתונות של המכון). חודש לאחר מכן, ב-15 מתוך 17 חולים, התאים החדשים הללו לא רק שרדו, אלא היוו בין 9% ל-56% מסך ה"אוכלוסיה" של לימפוציטים T בגוף. אבל ההפתעה העיקרית הייתה ש-18 חודשים לאחר הטיפול, שני חולים נפטרו לחלוטין מהסרטן , וכן הראה רמה גבוהה של תאי T בדם. חולה אחד חלה בסרטן היו שניים, אחד מהם נהרס לחלוטין, והשני הופחת ב-89% (לאחר מכן הוסר בניתוח), והשני לחולה היה גידול אחד ש"התפוגג". רוזנברג מציין כי "לראשונה, מניפולציה גנטית הובילה לרגרסיה של הגידול בבני אדם". "עכשיו אנחנו יכולים לקחת לימפוציטים נורמליים מחולים ולשנות אותם ללימפוציטים המגיבים לסרטן", אמר המדען, שמתכוון להמשיך במחקר. הוא רוצה לדעת איך תאים מהונדסים גנטית ישרדו בגוף לתקופה ארוכה יותר, איך הטיפול הזה יעבוד בשילוב עם טיפולי סרטן אחרים, איך הוא יכול לעזור במאבק נגד סוגים אחרים של סרטן (גנים אחרים המקודדים לבנייה של סוגי סרטן אחרים יפעלו כאן). באופן כללי, עדיין יש הרבה שאלות. אם נזוז מעט אחורה, נוכל לומר גם על אבלציה קולית של טיפול ב-HIFU. הרופאים הסינים הם המובילים בתחום זה. הטכנולוגיה שלו מורכבת משריפת תאים סרטניים באולטרסאונד, בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס, הגידול ממש נמס. המובילה בייצור ציוד מיוחד היא Haifuning HIFU Technology שבייג'ינג, שיצרה יחד עם חברת ג'נרל אלקטריק האמריקאית מנגנון מבוקר טמפרטורה ממוחשב לחלוטין - FEP BY 02.

סִפְרוּת:

1. זינגר מ', ברג פ' גנים וגנומים. - מוסקבה, 1998.
2. Stent G., Kalindar R. Genetics Molecular Genetics. - מוסקבה,
3. Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Cloning מולקולרי. —
4. Patrushev L. I. מערכות גנטיות מלאכותיות. - מ': נאוקה, 2004.
5. Shchelkunov S. N. הנדסה גנטית. - נובוסיבירסק: Sib. univ. הוצאת ספרים, 2008.
6. חופש הביטוי (עיתון, חומרים מגיליון מס' 4 (348) 2.02.2012)

הנדסה גנטית (גנטית).

הנדסה גנטית (גנטית).- בנייה מלאכותית של מבנים גנטיים ואורגניזמים שעברו שינוי תורשתי. הנדסה גנטית היא קטע (ענף יישומי) של גנטיקה מולקולרית הקשור ליצירה ממוקדת של מולקולות DNA חדשות המסוגלות להתרבות בתא המארח. במקרה זה, מתרחש שינוי מלאכותי ותכליתי בגנוטיפ של האורגניזם (מיקרואורגניזם) והיווצרות של סימנים ומאפיינים חדשים. הנדסה גנטית עוסקת בפענוח מבנה הגנים, סינתזה ושיבוט שלהם, החדרת גנים מבודדים מתאי אורגניזמים חיים לתאי צמחים ובעלי חיים על מנת לשנות את המאפיינים הגנטיים שלהם.

שיטות מפותחות להנדסה גנטית הן טרנסגנזה, סינתזה מיקרוביולוגית וכו'.

טרנסגנזההעברת גנים מסוג אחד של אורגניזם לאחר. טרנסגנזה מתבצעת על ידי חיתוך ותפירה של קטעי DNA בהשתתפות אנזימים - אנזימי הגבלה וליגאזות.

שלבים של טרנסגנזה:

א) בידוד של גנים (שברי DNA) מתאי חיידקים, צמחים או בעלי חיים באמצעות אנזים מגבלות;

ב) חיבור (הצלבה) של גנים (שברי DNA) עם פלסמיד באמצעות אנזים ליגזות;

ג) החדרת DNA פלסמיד היברידי המכיל את הגן הרצוי לתא המארח;

ד) העתקה (שיבוט) של גן זה בתא המארח והבטחת פעולתו לפי הסכימה: "קוד DNA - שעתוק - תרגום - חלבון"

כלים להנדסה גנטיתהם אנזימים שהתגלו בשנת 1974 - restrictases (אנדונוקליזות הגבלה).אנזימי הגבלה מזהים קטעים (אתרים) של DNA, מבצעים חתכים בשרשראות DNA. בקצות כל שבר נוצרים זנבות חד-גדיליים, הנקראים " קצוות דביקים,כי הם יכולים, כביכול, להיצמד יחד בשל השלמה.

אנזימי הגבלה מזהים ב-DNA דו-גדילי רצף ספציפי של נוקלאוטידים DNA בלבד, רק משלהם. לאחר מכן, אנזים ההגבלה נצמד לאתר המוכר של נוקלאוטידים וחותך אותו באתר ההתקשרות. לעתים קרובות יותר, אנזימי הגבלה מזהים אזורים של 4-6 זוגות בסיסים במולקולת ה-DNA וחותכים את שני גדילי ה-DNA באמצע אזורים אלה או בדרך כלל עם היסט. דוגמאות להגבלות: אנזים הגבלה EcoRI, המזהה קטע DNA של שישה נוקלאוטידים GAATTC (החתך בין הנוקלאוטידים G ו-A של שני גדילי ה-DNA); להגביל הינד IIIמזהה את אתר AAGTSTT (מקום החתך בין הנוקלאוטידים A ו-A של שני גדילי ה-DNA); להגביל באם אנימזהה את אתר GGATCC (מקום החתך בין נוקלאוטידים G ו-G של שני גדילי ה-DNA); להגביל Hae IIIמזהה את אתר GGCC (מקום החתך בין נוקלאוטידים G ו-C של שני גדילי ה-DNA); להגביל Hpa IIמזהה את אתר CGG (מקום החתך בין הנוקלאוטידים C ו-C של שני גדילי ה-DNA).

יתר על כן, כדי לבנות אורגניזם מהונדס גנטית, יש צורך להכניס את הגן הרצוי לתא של אורגניזם זה. החדרת גנים זרים לגוף מתבצעת באמצעות וקטור פלסמיד. הווקטור הוא פלסמיד – מולקולת DNA מעגלית קטנהאשר מופק מהציטופלזמה של תא חיידקי. פלסמידים- גורמים תורשתיים הממוקמים מחוץ לכרומוזומים, שהם DNA חוץ כרומוזומלי.

אורז. 37.

א- תכנית להחדרת DNA זר לפלסמיד חיידקי באמצעות אנזימים (אנדונוקליז הגבלת וליגאז).

ב– תכנית העברת הגן האנושי האחראי לסינתזה של הורמון האינסולין ויצירת DNA וקטור.

מאפייני הפלסמיד: 1) בעל יכולת שכפול אוטונומי; 2) מכיל גנים המקודדים לאנטיביוטיקה; 3) מסוגלים להשתלב בכרומוזום של התא המקבל; 4) מזהה קטעים של DNA שיכולים לחתוך אנזימים - אנזימים הגבלה; 5) אנזים ההגבלה יכול לחתוך את הפלסמיד ולתרגם אותו למצב ליניארי. חוקרים משתמשים בתכונות אלו של הפלסמיד כדי להשיג DNA רקומביננטי (היברידי).

רצף החדרת ה-DNA לתוך פלסמיד (וקטור פלסמיד) באמצעות אנזים הגבלה(איור 37 א'):

1) הַגבָּלָה- חיתוך מולקולת ה-DNA עם אנזים הגבלה, יצירת שברי DNA ו בידוד של הגן הנדרש;

2) שילוב של הגן המבודד בפלסמיד, כלומר השגת DNA רקומביננטי (היברידי) על ידי החדרת שבר של DNA זר לפלסמיד;

3) קשירה- הצלבת אנזים ligaseפלסמיד (וקטור) ושברי DNA זרים; במקביל, הקצוות של הווקטור וה-DNA הזר (מה שנקרא "קצוות דביקים") משלימים זה את זה;

4) טרנספורמציה- הכנסת פלסמיד רקומביננטי לגנום של תא אחר (תא מקבל), בפרט, תא חיידקי.

יש לציין כי פלסמידים חודרים רק לחלק מהחיידקים המטופלים. חיידקים שעברו טרנספורמציה, יחד עם פלסמידים, רוכשים עמידות לאנטיביוטיקה מסוימת, המאפשרת להפריד אותם מחיידקים לא שעברו טרנספורמציה שמתים על מצע המכיל אנטיביוטיקה. כל אחד מהחיידקים שעברו טרנספורמציה, מונח על מצע תזונתי, מתרבה ויוצר מושבה של אלפים רבים של צאצאים - שיבוט.

5) סְרִיקָה- בחירה בין חיידקים שעברו טרנספורמציה של אלה המכילים פלסמידים עם הגן הרצוי.

בעלי חיים וצמחים מהונדסים

גנים משובטים מוזרקים במיקרו לביצית יונקת או פרוטופלסטים צמחיים (תא מבודד חסר דופן תא) ואז גדלים מהם בעלי חיים או צמחים, שבגנום שלו פועלים גנים זרים. צמחים ובעלי חיים שהגנום שלהם שונה על ידי פעולות הנדסה גנטית נקראים אורגניזמים מהונדסים (צמחים ובעלי חיים מהונדסים)כי הוא מכיל גנים זרים. קיבלו עכברים מהונדסים, ארנבות, חזירים, כבשים. הגנים של חיידקים, יונקים ובני אדם פועלים בגנום שלהם. התקבלו צמחים מהונדסים (תירס, פלפל, עגבניות, חיטה, שיפון, קטניות, תפוחי אדמה וכו') המכילים גנים של מינים לא קשורים. צמחים מהונדסים עמידים בפני קוטלי עשבים, חרקים, תנאי מזג אוויר קשים וכו' הבעיה של שינוי התורשה של צמחים חקלאיים רבים נפתרת בהדרגה.

מפה גנטית של כרומוזומים. טיפול גנטי

מפה גנטית של כרומוזומים היא תרשים של הסידור ההדדי של גנים שנמצאים באותה קבוצת הצמדה. מפות כאלה מורכבות עבור כל זוג של כרומוזומים הומולוגיים. המפה הגנטית מציגה את סדר הגנים בכרומוזום ואת המרחק ביניהם (אחוז ההצלבה בין גנים מסוימים). אז היצירה של זנים חדשים של מיקרואורגניזמים המסוגלים לסנתז הורמונים, חלבונים, תרופות מבוססת על ידע של המפות הגנטיות של מיקרואורגניזמים. מפות גנטיות אנושיות חיוניות לגנטיקה רפואית. הידע על לוקליזציה של גן על כרומוזום מסוים משמש באבחון של מספר מחלות תורשתיות, וכן בריפוי גנטי לתיקון המבנה והתפקוד של הגנים.

טיפול גנטי -החלפת גנים פגומים בגנים לא פגומים, או תיקון המבנה שלהם.

כדי להילחם במחלות תורשתיות, אונקולוגיות וקשורות לגיל, מפתחים שיטות ריפוי גנטי בטוחות לתאים אנושיים. בעזרת שימוש בשיטות ריפוי גנטי, ניתן להחליף בגוף גנים פגומים בהם התרחשו מוטציות נקודתיות בגנים שאינם פגומים. כיום, מדענים מפתחים שיטות ביטחון ביולוגי אנושי:הכנסת הגנים הרצויים לתאי גוף האדם. זה ייפטר ממחלות תורשתיות רבות.

סינתזה מיקרוביולוגית

שיטות הנדסה גנטית אפשרו לבצע סינתזה מיקרוביולוגית(איור 37 ב). בעזרת שיטות הנדסה גנטית הצליחו מיקרוביולוגים להשיג זני חיידקים שבזכותם מתבצעת בהצלחה סינתזה מיקרוביולוגית. לשם כך נבחרים תאי החיידק הדרושים שאינם מכילים פלסמידים. מולקולות DNA מבודדות עם רצף נתון של נוקלאוטידים הקובעים את התפתחות התכונה הרצויה. פלסמיד עם אזור DNA משולב (גנום) מוחדר לתא חיידקי, שבו אזור ה-DNA המוחדר מתחיל לפעול (תהליכי השכפול, השעתוק, התרגום מתבצעים), והחלבון הרצוי מסונתז בתא החיידק ( אינטרפרון, ג'פרון, אימונוגלובולין, אינסולין, סומטוטרופין וכו'). הורמונים (אינסולין, סומטוטרופין), חומצות אמינו רבות, אנטיביוטיקה, חיסונים ועוד התקבלו בכמויות תעשייתיות, חיידקים כאלה מתרבים בקנה מידה תעשייתי ומייצרים את החלבון הדרוש.

בשיטות גנטיות התקבל זן של המיקרואורגניזם Pseudomonas denitrificans, המייצר פי עשרה יותר ויטמין C, ויטמיני B מהצורה המקורית; זן חדש של החיידק Micrococcus glutamicus מפריש פי מאות יותר חומצת אמינו ליזין מהתרבות המקורית (הפרא) של החיידק היוצר ליזין.

הנדסת תאים

הנדסת תאים- גידול תאים בודדים או רקמות על גבי מדיה מלאכותית מיוחדת, פיתוח שיטות ליצירת סוגי תאים חדשים על ידי הכלאה, החלפת כרומוזומים וגידול הכלאים מהם.

1. שיטת תרבית רקמות

השיטה מורכבת מטיפוח תאים מבודדים או חלקי רקמה על מצע תזונתי מלאכותי בתנאים מיקרו אקלימיים מתאימים. כתוצאה מהגידול מתחדשים תאי צמחים או פיסות רקמה לצמח שלם. על ידי התפשטות מיקרו של תאים בודדים, או פיסות רקמה (בדרך כלל המריסטם האפיקי של גזע או שורש), ניתן להשיג צמחים שימושיים רבים. תנאים מיקרו אקלימיים ואמצעי הזנה להתחדשות של צמחי נוי, תרבותיים, מרפא נבחרים בניסוי. תרבית רקמות משמשת גם לייצור צמחים דיפלואידים לאחר טיפול בצורות הפלואידיות המקוריות עם קולכיצין.

2. הכלאה סומטית

הכלאה סומטית כוללת השגת תאים היברידיים, ומהם - צורות חדשות; הזרעה מלאכותית של ביציות.

השגת צמחים היברידיים חדשים על ידי היתוך של פרוטופלסטים (גרעין וציטופלזמה) של תאים שונים בתרבית רקמה. כדי לאחות פרוטופלסטים בעזרת אנזימים, נהרס דופן התא הצמחי ומתקבל פרוטופלסט מבודד. כאשר מטפחים פרוטופלסטים כאלה של מיני צמחים שונים, הם מתמזגים ויוצרים צורות עם תכונות שימושיות חדשות. הזרעה מלאכותית של ביציות מתבצעת בשיטת הפריה חוץ גופית (IVF), המאפשרת הפריה של ביציות במבחנה עם השתלת עובר בשלב מוקדם של התפתחות, ולהתגבר על צורות מסוימות של אי פוריות בבני אדם.

3. הנדסה כרומוזומלית- החלפת כרומוזומים בודדים בתאי הצמח או הוספת חדשים. לדיפלואידים יש זוגות של כרומוזומים הומולוגיים, ואורגניזמים כאלה נקראים דיסומיים. אם נשאר כרומוזום אחד בזוג כלשהו, ​​נוצר מונוזום. אם מוסיפים כרומוזום הומולוגי שלישי לזוג כלשהו, ​​אז נוצר טריזומי וכו'. אפשר להחליף כרומוזומים בודדים ממין אחד בכרומוזומים ממין אחר. קיבלו צורות נקראות חלופיות.

קשה למצוא אדם בעולם המודרני שלא שמע דבר על הצלחות ההנדסה הגנטית.

כיום זוהי אחת הדרכים המבטיחות ביותר לפיתוח ביוטכנולוגיות, שיפור הייצור החקלאי, הרפואה ועוד מספר תעשיות.

מהי הנדסה גנטית?

כידוע, המאפיינים התורשתיים של כל יצור חי מתועדים בכל תא בגוף בצורה של קבוצה של גנים - אלמנטים של מולקולות חלבון מורכבות. על ידי הכנסת גן זר לגנום של יצור חי, ניתן לשנות את תכונות האורגניזם המתקבל, ובכיוון הנכון: להפוך את היבול לעמיד יותר בפני כפור ומחלות, להעניק לצמח תכונות חדשות וכו'. .

אורגניזמים המתקבלים כתוצאה משינוי כזה נקראים מהונדס גנטי, או טרנסגני, והדיסציפלינה המדעית המעורבת בחקר שינויים ופיתוח טכנולוגיות טרנסגניות נקראת הנדסה גנטית או גנטית.

אובייקטים של הנדסה גנטית

מיקרואורגניזמים, תאי צמחים ובעלי חיים נמוכים הם האובייקטים הנחקרים ביותר של הנדסה גנטית, אך מחקרים מבוצעים גם על תאי יונקים, ואפילו על תאי גוף האדם. ככלל, מושא המחקר הישיר הוא מולקולת DNA, המטוהרת מחומרים תאיים אחרים. בעזרת אנזימים מתפצל ה-DNA למקטעים נפרדים, וחשוב להצליח לזהות ולבודד את המקטע הרצוי, להעבירו בעזרת אנזימים ולשלבו במבנה של DNA אחר.

טכניקות מודרניות כבר מאפשרות לבצע מניפולציה חופשית של מקטעים של הגנום, להכפיל את המקטע הרצוי בשרשרת התורשתית ולהחדיר אותו במקום נוקלאוטיד אחר ב-DNA של הנמען. ניסיון רב למדי הצטבר ונאסף מידע רב על דפוסי המבנה של מנגנונים תורשתיים. ככלל, צמחים חקלאיים נתונים לטרנספורמציות, שכבר הגדילו באופן משמעותי את הפריון של גידולי מזון עיקריים.

בשביל מה הנדסה גנטית?

באמצע המאה העשרים, שיטות מסורתיות כבר אינן מתאימות למדענים, שכן לכיוון זה יש מספר מגבלות חמורות:

• אי אפשר לחצות מינים לא קשורים של יצורים חיים;
• תהליך השילוב מחדש של תכונות גנטיות נותר בלתי נשלט, והאיכויות הנחוצות בצאצאים מופיעות כתוצאה משילובים אקראיים, בעוד שאחוז גדול מאוד מהצאצאים מוכר כלא מוצלח ומושלכים במהלך הבחירה;
• אי אפשר להגדיר במדויק את האיכויות הרצויות בעת המעבר;
• תהליך הבחירה אורך שנים ואף עשרות שנים.

המנגנון הטבעי לשימור תכונות תורשתיות יציב ביותר, ואף הופעת צאצאים בעלי התכונות הרצויות אינה מבטיחה את שימור התכונות הללו בדורות הבאים.

הנדסה גנטית מתגברת על כל הקשיים הנ"ל. בעזרת טכנולוגיות טרנסגניות, ניתן ליצור אורגניזמים בעלי תכונות רצויות על ידי החלפת חלקים מסוימים בגנום באחרים שנלקחו מיצורים חיים השייכים למינים אחרים. במקביל, הזמן ליצירת אורגניזמים חדשים מצטמצם באופן משמעותי. אין צורך לתקן את התכונות הרצויות, מה שהופך אותן לתורשתיות, מכיוון שתמיד קיימת האפשרות לשנות גנטית את המנות הבאות, ממש להפעיל את התהליך.

שלבים של יצירת אורגניזם מהונדס

1. בידוד של גן מבודד בעל תכונות רצויות. כיום, יש טכנולוגיות אמינות מספיק בשביל זה, יש אפילו ספריות מוכנות במיוחד של גנים.
2. החדרת גן לוקטור לצורך העברה. לשם כך נוצר מבנה מיוחד - טרנסגן, בעל מקטע DNA אחד או יותר ואלמנטים רגולטוריים, המשולב בגנום הווקטור ונתון לשיבוט באמצעות ליגאזות ורסטקטאזות. כווקטור, בדרך כלל נעשה שימוש ב-DNA חיידקי מעגלי - פלסמידים.
3. הטבעת הווקטור בגוף הנמען. תהליך זה מועתק מתהליך טבעי דומה של החדרת ה-DNA של נגיף או חיידק לתאי מארח ופועל באותו אופן.
4. שיבוט מולקולרי. במקביל, התא המשתנה מתחלק בהצלחה, ומייצר תאי בת חדשים רבים המכילים את הגנום המשתנה ומסנתזים מולקולות חלבון בעלות תכונות רצויות.
5. בחירת GMO. השלב האחרון אינו שונה מעבודת הבחירה הרגילה.

האם הנדסה גנטית בטוחה?

השאלה עד כמה בטוחות טכנולוגיות טרנסגניות עולה מעת לעת הן בקהילה המדעית והן בתקשורת הרחוקה מהמדע. עדיין אין לזה תשובה חד משמעית.

ראשית, הנדסה גנטית היא עדיין כיוון חדש למדי בביוטכנולוגיה, ועדיין לא הצטברו סטטיסטיקות המאפשרות להסיק מסקנות אובייקטיביות לגבי הבעיה הזו.

שנית, ההשקעה העצומה בהנדסה גנטית של תאגידי מזון רב לאומיים עשויה לשמש סיבה נוספת להיעדר מחקר רציני.

עם זאת, בחוקים של מדינות רבות ישנם כללים המחייבים את היצרנים לציין נוכחות של מוצרים GMO על אריזות מוצרי קבוצת המזון. בכל מקרה, ההנדסה הגנטית כבר הוכיחה את היעילות הגבוהה של הטכנולוגיות שלה, והמשך פיתוחה מבטיח לאנשים עוד יותר הצלחה והישגים.

יוטיוב אנציקלופדית

• 1 / 5

  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 בביוטכנולוגיה המודרנית.

  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. , בערך 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, המיושמת גם בביוטכנולוגיה. 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.

  כיוון מחקר נוסף הוא הסרה מה-DNA של גנים שאינם נחוצים לקידוד חלבונים ולתפקוד של אורגניזמים ויצירת אורגניזמים מלאכותיים המבוססים על DNA כזה עם "סט קטום" של גנים. זה מאפשר להגביר בחדות את העמידות של אורגניזמים שהשתנו לווירוסים.

  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 פרדריק סנגר והמדען האמריקאי וולטר גילברט (פרס נובל בכימיה ב-1980). 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. מבחר 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 תרמי יציב, DNA פולימראז, משמש בו לסינתזת תבניות של DNA, המשמש כזרע עבור חתיכות מסונתזות מלאכותית של חומצת גרעין - אוליגונוקלאוטידים. אנזים ה-Reverse transcriptase מאפשר לסנתז DNA באמצעות פריימרים (פריימרים) כאלה 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 אצל חיידקים 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 בהם DNA זר (של וירוס או בקטריופאג') נכלל במנגנון הגנטי של התא ובעזרת המנגנונים המטבוליים 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, נולדים גורים עם גנוטיפ שונה או ללא שינוי, ביניהם נבחרים ומצטלבים זה עם זה רק אלה 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 לבצע שינויים משמעותיים יותר בגנום האנושי מתמודדת עם מספר בעיות אתיות חמורות. בשנת 2016, קבוצת מדענים בארה"ב קיבלה אישור לניסויים קליניים בשיטת טיפול בסרטן תוך שימוש בתאי החיסון של המטופל עצמו, הנתונים לשינוי גנים באמצעות טכנולוגיית CRISPR / Cas9.

  הנדסת תאים

  הנדסה סלולרית מבוססת על טיפוח של תאים ורקמות צמחים ובעלי חיים המסוגלים לייצר חומרים הנחוצים לבני אדם מחוץ לגוף. שיטה זו משמשת להפצה משובטית (א-מינית) של צורות צמחים יקרות ערך; להשיג תאים היברידיים המשלבים תכונות של, למשל, לימפוציטים בדם ותאי גידול, מה שמאפשר להשיג במהירות נוגדנים.

  הנדסה גנטית ברוסיה

  יצוין כי לאחר כניסתו של רישום ממלכתי של הנדסה גנטית, עלתה באופן ניכר פעילותם של כמה ארגונים ציבוריים וסגנים בודדים של הדומא הממלכתית, בניסיון למנוע הכנסת טכנולוגיות ביו חדשניות לחקלאות הרוסית. יותר מ-350 מדענים רוסים חתמו על מכתב פתוח מאגודת המדענים לתמיכה בפיתוח הנדסה גנטית בפדרציה הרוסית. המכתב הפתוח מציין כי איסור על GMO ברוסיה לא רק יפגע בתחרות הבריאה בשוק החקלאי, אלא יוביל לפיגור משמעותי בתחום טכנולוגיות ייצור המזון, הגברת התלות ביבוא מזון, ויפגע ביוקרתה של רוסיה. מדינה שבה הקורס לפיתוח חדשני הוכרז רשמית [ את המשמעות של העובדה? ] .

  ראה גם

  הערות

  1. אלכסנדר פנצ'יןמכים את אלוהים // מכניקה פופולרית . - 2017. - מס' 3. - ש' 32-35. - כתובת אתר: http://www.popmech.ru/magazine/2017/173-issue/
  2. עריכת גנום In vivo באמצעות מערכת יעילות גבוהה TALEN (אנגלית) . טֶבַע. אוחזר ב-10 בינואר 2017.
  3. אלמנטים - חדשות מדעיות: קופים נרפאו מעיוורון צבעים באמצעות ריפוי גנטי (סְתָמִי) (18 בספטמבר 2009). אוחזר ב-10 בינואר 2017.