Inżynieria genetyczna- To dziedzina biotechnologii, która obejmuje działania na rzecz rearanżacji genotypów. Już dziś inżynieria genetyczna umożliwia włączanie i wyłączanie poszczególnych genów, kontrolując w ten sposób aktywność organizmów, a także przenoszenie instrukcji genetycznych z jednego organizmu do drugiego, w tym organizmów innego gatunku. W miarę jak genetycy dowiadują się coraz więcej o działaniu genów i białek, coraz bardziej realna staje się możliwość dowolnego programowania genotypu (przede wszystkim człowieka), z łatwością osiągając dowolne wyniki: takie jak odporność na promieniowanie, zdolność do życia pod wodą , zdolność do regeneracji uszkodzonych narządów, a nawet nieśmiertelność.

Informacja genetyczna. Informacja genetyczna (genom) zawarta jest w komórce w chromosomach (jest ich 46 u ludzi), składających się z cząsteczki DNA i białek pakujących, a także w mitochondriach. DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) to sekwencja nukleotydów, z których każdy zawiera jeden z czterech azotowych. Z funkcjonalnego punktu widzenia DNA składa się z wielu bloków (sekwencji nukleotydowych), które przechowują pewną ilość informacji - genów.

Gen to fragment cząsteczki DNA, który zawiera informacje o podstawowej strukturze pojedynczego białka (jeden gen - jedno białko). Całość wszystkich genów organizmu tworzy jego genotyp. Wszystkie komórki ciała zawierają ten sam zestaw genów, ale każda z nich realizuje inną część przechowywanych informacji. Aktywne są tylko te geny, które są niezbędne do funkcjonowania danej komórki, dlatego np. neurony różnią się od komórek wątroby zarówno cechami strukturalnymi, jak i funkcjonalnymi oraz biologicznymi.

Rola białek w organizmie. Białka są najważniejszymi cząsteczkami w każdym żywym organizmie, chemiczną podstawą żywej materii. Zgodnie z definicją Engelsa „życie jest sposobem istnienia ciał białkowych”. Białka przeprowadzają metabolizm (transport substancji w organizmie) i przemiany energetyczne, stanowią podstawę strukturalną tkanek, służą jako katalizatory reakcji chemicznych, chronią organizmy przed patogenami i niosą komunikaty regulujące aktywność organizmu. Z chemicznego punktu widzenia białka to łańcuch aminokwasów złożony w przestrzeni w szczególny sposób. Jedną z funkcji białek jest aktywacja genów. Niektóre geny zawierają fragmenty, które przyciągają do siebie określone białka. Jeśli takie białka są zawarte w komórce, przyczepiają się do tego regionu genu i mogą umożliwiać lub uniemożliwiać jego kopiowanie do RNA. Obecność lub brak takich białek regulatorowych w komórce określa, które geny są aktywowane, a tym samym, które nowe białka są syntetyzowane. To właśnie ten mechanizm regulacyjny określa, czy komórka powinna funkcjonować jako komórka mięśniowa, czy komórka nerwowa, lub która część ciała powinna się rozwinąć w tej części zarodka. Jeśli wprowadzisz nowe geny do organizmu (rośliny, mikroorganizmu, zwierzęcia, a nawet człowieka), możesz nadać mu nową pożądaną cechę, której nigdy wcześniej nie posiadał.

Początki inżynierii genetycznej sięgają 1973 r., kiedy to genetycy Stanley Cohen i Herbert Boyer wprowadzili nowy gen do bakterii Escherichia coli (E. coli).Od 1982 r. firmy w USA, Japonii, Wielkiej Brytanii i innych krajach produkują genetycznie modyfikowaną insulinę . Sklonowane geny ludzkiej insuliny zostały wprowadzone do komórki bakteryjnej, gdzie rozpoczęła się synteza hormonu, którego naturalne szczepy drobnoustrojów nigdy nie syntetyzowały. Do praktyki lekarskiej wprowadzono już około 200 nowych leków diagnostycznych, a na etapie badań klinicznych znajduje się ponad 100 leków modyfikowanych genetycznie. Wśród nich są leki, które leczą artrozę, choroby sercowo-naczyniowe, niektóre procesy nowotworowe, a być może nawet AIDS. Spośród kilkuset firm inżynierii genetycznej 60% zajmuje się produkcją leków i diagnostyką.

Inżynieria genetyczna w rolnictwie. Pod koniec lat 80. z powodzeniem wprowadzono nowe geny do dziesiątek gatunków roślin i zwierząt — roślin tytoniu o świecących liściach, mrozoodpornych pomidorów i odpornej na pestycydy kukurydzy. Jednym z ważnych zadań jest uzyskanie roślin odpornych na wirusy, gdyż obecnie nie ma innych sposobów zwalczania infekcji wirusowych upraw rolniczych. Wprowadzenie genów białka otoczki wirusa do komórek roślinnych czyni rośliny odpornymi na tego wirusa. Obecnie uzyskano rośliny transgeniczne, które są w stanie wytrzymać skutki kilkunastu różnych infekcji wirusowych. Kolejne zadanie związane jest z ochroną roślin przed szkodnikami owadzimi. Stosowanie insektycydów nie jest do końca skuteczne. W laboratoriach inżynierii genetycznej Belgii i USA prowadzono z powodzeniem prace nad wprowadzeniem do komórki roślinnej genów bakterii ziemianki Bacillus thuringiensis, które umożliwiają syntezę insektycydów pochodzenia bakteryjnego. Geny te wprowadzono do komórek ziemniaków, pomidorów i bawełny. Transgeniczne rośliny ziemniaka i pomidora uodporniły się na niepokonanego stonki ziemniaczanej, rośliny bawełny uodporniły się na różne owady, w tym mszycę bawełnianą. Zastosowanie inżynierii genetycznej zmniejszyło użycie insektycydów o 40-60%. Inżynierowie genetyczni wyhodowali rośliny transgeniczne o wydłużonym okresie dojrzewania owoców. Takie pomidory, na przykład, można usunąć z krzaka czerwonego, bez obawy, że przejrzą podczas transportu. Lista roślin, do których z powodzeniem zastosowano metody inżynierii genetycznej, obejmuje około pięćdziesięciu gatunków, w tym jabłka, śliwki, winogrona, kapustę, bakłażan, ogórek, pszenicę, soję, ryż, żyto i wiele innych roślin rolniczych.

Terapia genowa człowieka

U ludzi technologia inżynierii genetycznej została po raz pierwszy zastosowana w leczeniu Ashanti De Silva, czteroletniej dziewczynki cierpiącej na ciężką postać niedoboru odporności. U niej uszkodzony był gen zawierający instrukcje produkcji białka deaminazy adenozynowej (ADA). A bez białka ADA białe krwinki umierają, pozostawiając organizm bezbronny przed wirusami i bakteriami. Roboczą kopię genu ADA wprowadzono do komórek krwi Ashanti przy użyciu zmodyfikowanego wirusa. Komórki były w stanie niezależnie wytwarzać niezbędne białko. Po 6 miesiącach liczba białych krwinek w ciele dziewczynki wzrosła do normalnego poziomu. Następnie dziedzina terapii genowej otrzymała impuls do dalszego rozwoju. Od lat 90. setki laboratoriów prowadzi badania nad zastosowaniem terapii genowej w leczeniu chorób. Dziś wiemy, że terapia genowa może leczyć cukrzycę, anemię, niektóre rodzaje raka, chorobę Huntingtona, a nawet oczyszczać tętnice. Obecnie trwa ponad 500 badań klinicznych różnych rodzajów terapii genowej. Niekorzystne warunki środowiskowe i szereg innych podobnych przyczyn powoduje, że coraz więcej dzieci rodzi się z poważnymi wadami dziedzicznymi. Obecnie znanych jest 4000 chorób dziedzicznych, dla większości z których nie znaleziono skutecznego leczenia. Dziś możliwe jest zdiagnozowanie wielu chorób genetycznych już na etapie zarodka lub płodu. Do tej pory przerwanie ciąży na bardzo wczesnym etapie jest możliwe tylko w przypadku poważnych wad genetycznych, ale już wkrótce możliwe będzie korygowanie kodu genetycznego, poprawianie i optymalizacja genotypu nienarodzonego dziecka. Pozwoli to całkowicie uniknąć chorób genetycznych i poprawić fizyczne, psychiczne i psychiczne cechy dzieci.

Projekt genomu człowieka. W 1990 roku w Stanach Zjednoczonych uruchomiono Human Genome Project, którego celem było określenie całego roku genetycznego danej osoby. Projekt, w którym ważną rolę odegrali również rosyjscy genetycy, został ukończony w 2003 roku. W wyniku projektu określono 99% genomu z dokładnością 99,99% (1 błąd na 10 000 nukleotydów). Zakończenie projektu przyniosło już praktyczne rezultaty, takie jak łatwe w użyciu testy, które mogą określić genetyczną predyspozycję do wielu chorób dziedzicznych. Na przykład wyrażano nadzieję, że dzięki rozszyfrowaniu genomu do 2006 roku zostaną opracowane leki do leczenia tak groźnej choroby jak AIDS, do 2009 roku zostaną zidentyfikowane geny związane z nowotworami złośliwymi, a mechanizmy zostaną ustalone do lat 2010-2015 prawie wszystkie rodzaje raka. Do 2020 roku mogą zostać zakończone prace nad lekami zapobiegającymi nowotworom.

Perspektywy kontroli genów. Rozwój inżynierii genetycznej umożliwi udoskonalenie genotypu człowieka. Wielkoskalowe zadania stojące dziś przed ludzkością wymagają ludzi utalentowanych w wielu dziedzinach, doskonałych i wysoko rozwiniętych osobowości o idealnym zdrowiu, najwyższych zdolnościach fizycznych i umysłowych. Takich ludzi można stworzyć metodami inżynierii genetycznej, genetycznej i komórkowej. Metody te znajdą zastosowanie zarówno u nowo narodzonych dzieci, jak i już dorosłych. Osoba będzie mogła pomnożyć własne zdolności i zwiększyć zdolności swoich dzieci. Z obiektywnego punktu widzenia nie ma w tym nic złego ani nieetycznego. Już dzisiaj wielu światowej sławy naukowców, takich jak Watson, jeden z odkrywców DNA, mówi, że na przykład ludzka głupota jest zasadniczo chorobą genetyczną iw przyszłości będzie uleczalna. Genetyczne przyczyny chorób zostaną całkowicie wyeliminowane, wszyscy ludzie będą doskonale zdrowi. Starzenie się zostanie zatrzymane i nikt nie będzie musiał zmagać się z więdnięciem, spadkiem sił, zniedołężnieniem. Ludzie staną się praktycznie nieśmiertelni – śmierć stanie się zjawiskiem coraz rzadszym, przestanie być nieuchronnością. Wiadomo na przykład, że jedną z przyczyn starzenia się jest skracanie telomerów przy każdym podziale komórki. Pod koniec lat 90. naukowcom udało się wprowadzić do komórek odkryty przez nich gen, który odpowiada za produkcję białka telomerazy, które odbudowuje telomery, a tym samym czyni je nieśmiertelnymi. Oczywiście odrębne grupy, nieobciążone odpowiednią wiedzą, ale realizujące jakieś osobiste, ideologiczne lub lobbingowe cele, mogą próbować zakazać takich technologii, ale jak pokazuje historia rozwoju nauki, nie będą w stanie tego zrobić przez długi czas.

Inżynieria genetyczna dokonała przełomu w leczeniu raka. Steven Rosenberg i jego współpracownicy z amerykańskiego National Cancer Institute (National Cancer Institute) przetestowali na szeregu pacjentów nową metodę walki z nowotworami, polegającą na wprowadzeniu do organizmu przeprojektowanych komórek odpornościowych. Pamiętacie, jak niedawno naukowcom udało się „nauczyć” układ odpornościowy myszy skutecznej walki z guzami nowotworowymi, po prostu przeszczepiając białe krwinki pobrane od osobników naturalnie odpornych na raka (w końcu takie organizmy istnieją)? Teraz podobną metodę leczenia raka przetestowano na ludziach. Najpierw autorzy pracy pobrali komórki odpornościowe - limfocyty T - od osoby, która dzięki swoim naturalnym cechom była w stanie skutecznie „odpędzić” czerniaka. Naukowcy zidentyfikowali w nich geny odpowiedzialne za działanie receptora rozpoznającego komórki nowotworowe i zreplikowali ten gen. Następnie pobrali limfocyty T od kilku pacjentów z czerniakiem i przy pomocy retrowirusa wprowadzili do nich sztuczny, sklonowany gen. Następnie pacjenci przeszli chemioterapię, która osłabiła ich układ odpornościowy, z bardzo małą liczbą komórek odpornościowych, które przeżyły. Wtedy właśnie tym pacjentom zwrócono ich własne limfocyty T, pobrane wcześniej, ale teraz z nowym genem (szczegóły w komunikacie prasowym instytutu). Miesiąc później u 15 z 17 pacjentów, te nowe komórki nie tylko przeżyły, ale stanowiły od 9% do 56% całkowitej „populacji” limfocytów T w organizmie.Ale głównym zaskoczeniem było to, że 18 miesięcy po leczeniu dwóch pacjentów całkowicie pozbyło się raka , a także wykazywał wysoki poziom limfocytów T. Jeden pacjent miał raka, było ich dwóch, z których jeden został całkowicie zniszczony, a drugi zmniejszył się o 89% (po czym został usunięty chirurgicznie), a drugi pacjent miał jeden guz, który „rozpadł się”. Rosenberg zauważa, że ​​„po raz pierwszy manipulacja genami doprowadziła do regresji guza u ludzi”. „Możemy teraz pobierać normalne limfocyty od pacjentów i modyfikować je w limfocyty reagujące na raka” – powiedział naukowiec, który zamierza kontynuować badania. Chce wiedzieć, jak genetycznie zmodyfikowane komórki przetrwają w organizmie przez dłuższy czas, jak ta terapia będzie działać w połączeniu z innymi metodami leczenia raka, jak może pomóc w walce z innymi typami nowotworów (inne geny kodujące budowę innych nowotworów zadziałają tutaj). Ogólnie rzecz biorąc, wciąż jest wiele pytań. Jeśli cofniemy się trochę, możemy również powiedzieć o ablacji ultradźwiękowej terapii HIFU. Liderami w tej dziedzinie są chińscy lekarze. Jej technologia polega na spalaniu ultradźwiękami komórek nowotworowych, w temperaturze 100 stopni Celsjusza guz dosłownie się topi. Liderem w produkcji sprzętu specjalistycznego jest pekińska firma Haifuning HIFU Technology, która wraz z amerykańską firmą General Electric stworzyła w pełni skomputeryzowaną aparaturę do kontroli temperatury - FEP BY 02.

Literatura:

1. Singer M., Berg P. Geny i genomy. - Moskwa, 1998.
2. Stent G., Kalindar R. Genetyka molekularna. - Moskwa,
3. Sambrook J., Fritsch EF, Maniatis T. Molecular Cloning. —
4. Patrushev LI Sztuczne systemy genetyczne. — M.: Nauka, 2004.
5. Shchelkunov S. N. Inżynieria genetyczna. - Nowosybirsk: Syb. uniw. wydawnictwo, 2008r.
6. Wolność słowa (gazeta, materiały z numeru 4 (348) 2.02.2012)

Inżynieria genetyczna (genetyczna).

Inżynieria genetyczna (genetyczna).- sztuczne konstruowanie struktur genetycznych i dziedzicznie modyfikowanych organizmów. Inżynieria genetyczna to dział (dział stosowany) genetyki molekularnej związany z ukierunkowanym tworzeniem nowych cząsteczek DNA zdolnych do reprodukcji w komórce gospodarza. W tym przypadku dochodzi do sztucznej, celowej zmiany genotypu organizmu (mikroorganizmu) i powstania nowych cech i właściwości. Inżynieria genetyczna zajmuje się rozszyfrowywaniem struktury genów, ich syntezą i klonowaniem, wprowadzaniem genów wyizolowanych z komórek organizmów żywych do komórek roślin i zwierząt w celu zmiany ich cech genetycznych.

Dobrze rozwinięte metody inżynierii genetycznej to transgeneza, synteza mikrobiologiczna itp.

transgeneza przeniesienie genów z jednego rodzaju organizmu na inny. Transgeneza odbywa się poprzez cięcie i zszywanie skrawków DNA przy udziale enzymów - enzymów restrykcyjnych i ligaz.

Etapy transgenezy:

a) izolacja genów (fragmentów DNA) z komórek bakteryjnych, roślinnych lub zwierzęcych przy użyciu enzymu restrykcje;

b) połączenie (sieciowanie) genów (fragmentów DNA) z plazmidem za pomocą enzymu ligazy;

c) wprowadzenie hybrydowego plazmidowego DNA zawierającego pożądany gen do komórki gospodarza;

d) skopiowanie (klonowanie) tego genu w komórce gospodarza i zapewnienie jego działania według schematu: „Kod DNA – transkrypcja – translacja – białko”

Narzędzia inżynierii genetycznej to enzymy odkryte w 1974 roku - restryktazy (endonukleazy restrykcyjne). Enzymy restrykcyjne rozpoznają sekcje (miejsca) DNA, dokonują cięć w łańcuchach DNA. Na końcach każdego fragmentu tworzą się jednoniciowe ogony, zwane „ lepkie końcówki, ponieważ mogą niejako trzymać się razem dzięki komplementarności.

Enzymy restrykcyjne rozpoznają w dwuniciowym DNA specyficzną, tylko własną sekwencję nukleotydów DNA. Następnie enzym restrykcyjny przyłącza się do rozpoznawalnego miejsca nukleotydów i przecina je w miejscu przyłączenia. Częściej enzymy restrykcyjne rozpoznają regiony 4-6 par zasad w cząsteczce DNA i przecinają obie nici DNA w środku tych regionów lub zwykle z przesunięciem. Przykłady restrykcji: enzym restrykcyjny EcoRI, który rozpoznaje fragment DNA składający się z sześciu nukleotydów GAATTC (przecięcie między nukleotydami G i A obu nici DNA); restrykcyjna Hind III rozpoznaje miejsce AAGTSTT (miejsce przecięcia między nukleotydami A i A obu nici DNA); restrykcyjna Bam I rozpoznaje miejsce GGATCC (miejsce przecięcia między nukleotydami G i G obu nici DNA); restrykcyjna Hae III rozpoznaje miejsce GGCC (miejsce przecięcia między nukleotydami G i C obu nici DNA); restrykcyjna HP II rozpoznaje miejsce CGG (miejsce przecięcia między nukleotydami C i C obu nici DNA).

Ponadto, aby skonstruować organizm zmodyfikowany genetycznie, konieczne jest wprowadzenie pożądanego genu do komórki tego organizmu. Wprowadzenie obcych genów do organizmu odbywa się za pomocą wektor plazmidowy. Wektor jest plazmid – mała okrągła cząsteczka DNA który jest ekstrahowany z cytoplazmy komórki bakteryjnej. plazmidy- czynniki dziedziczne zlokalizowane poza chromosomami, tj DNA pozachromosomalne.

Ryż. 37.

A– Schemat wprowadzenia obcego DNA do plazmidu bakteryjnego za pomocą enzymów (endonukleazy restrykcyjnej i ligazy).

B– Schemat przeniesienia ludzkiego genu odpowiedzialnego za syntezę hormonu insuliny i tworzenie DNA wektora.

Właściwości plazmidu: 1) posiada zdolność do autonomicznej replikacji; 2) zawiera geny kodujące antybiotyki; 3) są w stanie zintegrować się z chromosomem komórki biorcy; 4) rozpoznaje odcinki DNA zdolne do cięcia enzymów - enzymy restrykcyjne; 5) enzym restrykcyjny może przeciąć plazmid i przekształcić go w stan liniowy. Naukowcy wykorzystują te właściwości plazmidu do uzyskania rekombinowany (hybrydowy) DNA.

Sekwencja wprowadzania DNA do plazmidu (wektora plazmidowego) za pomocą enzymu restrykcyjnego(Rys. 37A):

1) ograniczenie- cięcie cząsteczki DNA enzymem restrykcyjnym, tworzenie fragmentów DNA i izolacji wymaganego genu;

2) włączenie wyizolowanego genu do plazmidu, czyli otrzymanie rekombinowanego (hybrydowego) DNA poprzez wprowadzenie do plazmidu fragmentu obcego DNA;

3) podwiązanie- sieciowanie enzymatyczne ligaza plazmid (wektor) i obce fragmenty DNA; jednocześnie końce wektora i obcego DNA (tzw. „lepkie końce”) są względem siebie komplementarne;

4) transformacja– wprowadzenie zrekombinowanego plazmidu do genomu innej komórki (komórki biorcy), w szczególności komórki bakteryjnej.

Należy zauważyć, że plazmidy penetrują tylko część traktowanych bakterii. Transformowane bakterie wraz z plazmidami nabywają oporność na określony antybiotyk, co pozwala na oddzielenie ich od bakterii nietransformowanych, które giną na podłożu zawierającym antybiotyk. Każda z transformowanych bakterii, umieszczona na pożywce, namnaża się i tworzy wielotysięczną kolonię potomków - klon.

5) ekranizacja– selekcja spośród transformowanych bakterii tych, które zawierają plazmidy z pożądanym genem.

Zwierzęta i rośliny transgeniczne

Sklonowane geny są mikroiniekcyjne do komórki jajowej ssaka lub protoplasty roślinne (izolowana komórka pozbawiona ściany komórkowej), a następnie hodowane są z nich zwierzęta lub rośliny, w których genomie działają obce geny. Nazywa się rośliny i zwierzęta, których genom został zmodyfikowany za pomocą operacji inżynierii genetycznej organizmy transgeniczne (transgeniczne rośliny i zwierzęta) ponieważ zawiera obce geny. Otrzymano myszy transgeniczne, króliki, świnie, owce. Geny bakterii, ssaków i ludzi działają w ich genomie. Uzyskano rośliny transgeniczne (kukurydza, papryka, pomidory, pszenica, żyto, rośliny strączkowe, ziemniaki itp.) zawierające geny niespokrewnionych gatunków. Rośliny transgeniczne są odporne na herbicydy, owady, niekorzystne warunki atmosferyczne itp. Stopniowo rozwiązywany jest problem zmiany dziedziczności wielu roślin rolniczych.

Genetyczna mapa chromosomów. Terapia genowa

Genetyczna mapa chromosomów to diagram wzajemnego ułożenia genów znajdujących się w tej samej grupie sprzężeń. Takie mapy są zestawiane dla każdej pary homologicznych chromosomów. Mapa genetyczna pokazuje kolejność genów w chromosomie i odległość między nimi (procent crossoverów między określonymi genami). Tak więc tworzenie nowych szczepów mikroorganizmów zdolnych do syntezy hormonów, białek, leków opiera się na znajomości map genetycznych mikroorganizmów. Mapy genetyczne człowieka są niezbędne dla genetyki medycznej. Wiedza o lokalizacji genu na określonym chromosomie jest wykorzystywana w diagnostyce wielu chorób dziedzicznych, a także w terapii genowej do korygowania budowy i funkcji genów.

Terapia genowa - wymiana uszkodzonych genów na nieuszkodzone lub korekta ich struktury.

W celu zwalczania chorób dziedzicznych, onkologicznych i związanych z wiekiem opracowywane są metody terapii genowej bezpieczne dla ludzkich komórek. Dzięki metodom terapii genowej wadliwe geny, w których wystąpiły mutacje punktowe, można zastąpić w organizmie nieuszkodzonymi. Obecnie naukowcy opracowują metody bezpieczeństwo biologiczne człowieka: wprowadzenie pożądanych genów do komórek organizmu człowieka. To pozbędzie się wielu chorób dziedzicznych.

Synteza mikrobiologiczna

Metody inżynierii genetycznej umożliwiły przeprowadzenie synteza mikrobiologiczna(Rys. 37B). Przy pomocy metod inżynierii genetycznej mikrobiologom udało się uzyskać szczepy bakterii, dzięki którym z powodzeniem przeprowadza się syntezę mikrobiologiczną. W tym celu wybiera się niezbędne komórki bakteryjne, które nie zawierają plazmidów. Cząsteczki DNA są izolowane z określoną sekwencją nukleotydów, które determinują rozwój pożądanej cechy. Plazmid ze zintegrowanym regionem DNA (genomem) jest wprowadzany do komórki bakteryjnej, w której wstawiony region DNA zaczyna działać (zachodzą procesy replikacji, transkrypcji, translacji), a pożądane białko jest syntetyzowane w komórce bakteryjnej ( interferon, geneferon, immunoglobulina, insulina, somatotropina itp.). W ilościach przemysłowych uzyskano hormony (insulina, somatotropina), wiele aminokwasów, antybiotyki, szczepionki itp. Takie bakterie namnażają się na skalę przemysłową i produkują potrzebne białko.

Za pomocą metod genetycznych uzyskano szczep mikroorganizmu Pseudomonas denitrificans, który wytwarza dziesięciokrotnie więcej witaminy C, witamin z grupy B niż oryginalna forma; Nowy szczep bakterii Micrococcus glutamicus wydziela setki razy więcej aminokwasów lizyny niż pierwotna (dzika) kultura bakterii tworzącej lizynę.

Inżynieria komórkowa

Inżynieria komórkowa- hodowanie pojedynczych komórek lub tkanek na specjalnych sztucznych pożywkach, opracowywanie metod tworzenia nowych typów komórek poprzez hybrydyzację, zastępowanie chromosomów i hodowanie z nich hybryd.

1. Metoda hodowli tkankowej

Metoda polega na hodowli wyizolowanych komórek lub fragmentów tkanek na sztucznej pożywce w odpowiednich warunkach mikroklimatycznych. W wyniku hodowli komórki roślinne lub fragmenty tkanek są regenerowane w całą roślinę. Poprzez mikrorozmnażanie pojedynczych komórek lub fragmentów tkanki (zwykle wierzchołkowego merystemu łodygi lub korzenia) można uzyskać wiele użytecznych roślin. Warunki mikroklimatyczne i pożywki do regeneracji roślin ozdobnych, uprawnych, leczniczych dobiera się doświadczalnie. Hodowlę tkankową stosuje się również do produkcji roślin diploidalnych po potraktowaniu kolchicyną oryginalnych form haploidalnych.

2. Hybrydyzacja somatyczna

Hybrydyzacja somatyczna obejmuje uzyskiwanie komórek hybrydowych, az nich - nowych form; sztuczna inseminacja jaj.

Otrzymywanie nowych roślin hybrydowych poprzez fuzję protoplastów (jądra i cytoplazmy) różnych komórek w hodowli tkankowej. Aby połączyć protoplasty za pomocą enzymów, ściana komórkowa rośliny jest niszczona i uzyskuje się izolowany protoplast. Hodując takie protoplasty różnych gatunków roślin, łączą się one i tworzą formy o nowych, użytecznych cechach. Sztuczną inseminację jaj przeprowadza się metodą zapłodnienia in vitro (IVF), która umożliwia zapłodnienie komórki jajowej w probówce z późniejszą implantacją zarodka na wczesnym etapie rozwoju i przezwyciężenie niektórych form niepłodności u ludzi.

3. Inżynieria chromosomów- wymiana pojedynczych chromosomów w komórkach roślinnych lub dodanie nowych. Diploidy mają pary homologicznych chromosomów, a takie organizmy nazywane są disomikami. Jeśli w dowolnej parze pozostanie jeden chromosom, powstaje monosomia. Jeśli do dowolnej pary zostanie dodany trzeci chromosom homologiczny, powstaje trisomia itp. Możliwe jest zastąpienie pojedynczych chromosomów jednego gatunku chromosomami innego gatunku. Otrzymane formy nazywane są podstawionymi.

We współczesnym świecie trudno znaleźć osobę, która nie słyszałaby nic o sukcesach inżynierii genetycznej.

Dziś jest to jedna z najbardziej obiecujących dróg rozwoju biotechnologii, doskonalenia produkcji rolnej, medycyny i szeregu innych gałęzi przemysłu.

Czym jest inżynieria genetyczna?

Jak wiecie, dziedziczne cechy każdej żywej istoty są zapisane w każdej komórce ciała w postaci zestawu genów - elementów złożonych cząsteczek białka. Poprzez wprowadzenie obcego genu do genomu żywej istoty można zmienić właściwości powstałego organizmu i to we właściwym kierunku: uodpornić plon na mróz i choroby, nadać roślinie nowe właściwości itp. .

Organizmy uzyskane w wyniku takiej zmiany nazywane są genetycznie zmodyfikowanymi lub transgenicznymi, a dyscyplina naukowa zajmująca się badaniem modyfikacji i rozwojem technologii transgenicznych nazywana jest genetyką lub inżynierią genetyczną.

Przedmioty inżynierii genetycznej

Najczęściej badanymi przedmiotami inżynierii genetycznej są mikroorganizmy, komórki roślinne i zwierzęta niższe, ale prowadzone są również badania na komórkach ssaków, a nawet na komórkach organizmu człowieka. Z reguły bezpośrednim przedmiotem badań jest cząsteczka DNA oczyszczona z innych substancji komórkowych. Za pomocą enzymów DNA jest dzielone na oddzielne segmenty i ważne jest, aby móc rozpoznać i wyizolować żądany segment, przenieść go za pomocą enzymów i zintegrować w strukturę innego DNA.

Nowoczesne techniki pozwalają już teraz na dowolne manipulowanie fragmentami genomu, namnażanie pożądanego odcinka dziedzicznego łańcucha i wstawianie go w miejsce innego nukleotydu w DNA biorcy. Zgromadzono dość duże doświadczenie i zebrano wiele informacji na temat wzorców budowy mechanizmów dziedzicznych. Z reguły rośliny rolnicze poddawane są przekształceniom, które już teraz znacznie zwiększyły produktywność głównych upraw spożywczych.

Do czego służy inżynieria genetyczna?

W połowie XX wieku tradycyjne metody przestały być odpowiednie dla naukowców, ponieważ kierunek ten ma szereg poważnych ograniczeń:

• niemożliwe jest krzyżowanie niespokrewnionych gatunków istot żywych;
• proces rekombinacji cech genetycznych pozostaje niekontrolowany, a niezbędne cechy u potomstwa pojawiają się w wyniku przypadkowych kombinacji, podczas gdy bardzo duży odsetek potomstwa jest uznawany za nieudany i odrzucany podczas selekcji;
• niemożliwe jest dokładne ustawienie pożądanych właściwości podczas przekraczania;
• Proces selekcji trwa latami, a nawet dziesięcioleciami.

Naturalny mechanizm zachowania cech dziedzicznych jest niezwykle stabilny i nawet pojawienie się potomstwa o pożądanych cechach nie gwarantuje zachowania tych cech w kolejnych pokoleniach.

Inżynieria genetyczna przezwycięża wszystkie powyższe trudności. Za pomocą technologii transgenicznych możliwe jest tworzenie organizmów o pożądanych właściwościach poprzez zastąpienie pewnych fragmentów genomu innymi pobranymi od żywych istot należących do innych gatunków. Jednocześnie znacznie skraca się czas tworzenia nowych organizmów. Nie jest konieczne utrwalanie pożądanych cech, czyniąc je dziedzicznymi, ponieważ zawsze istnieje możliwość genetycznej modyfikacji kolejnych partii, dosłownie uruchamiając proces.

Etapy tworzenia organizmu transgenicznego

1. Izolacja wyizolowanego genu o pożądanych właściwościach. Dziś są do tego wystarczająco niezawodne technologie, są nawet specjalnie przygotowane biblioteki genów.
2. Wstawienie genu do wektora w celu przeniesienia. W tym celu tworzony jest specjalny konstrukt – transgen, zawierający jeden lub więcej segmentów DNA i elementów regulatorowych, który jest integrowany z genomem wektora i poddawany klonowaniu przy użyciu ligaz i restryktaz. Jako wektor zwykle stosuje się koliste bakteryjne DNA - plazmidy.
3. Osadzenie wektora w ciele biorcy. Ten proces jest kopiowany z podobnego naturalnego procesu wprowadzania DNA wirusa lub bakterii do komórek gospodarza i działa w ten sam sposób.
4. klonowanie molekularne. W tym samym czasie zmodyfikowana komórka z powodzeniem dzieli się, wytwarzając wiele nowych komórek potomnych, które zawierają zmodyfikowany genom i syntetyzują cząsteczki białka o pożądanych właściwościach.
5. Selekcja GMO. Ostatni etap nie różni się niczym od zwykłej selekcji.

Czy inżynieria genetyczna jest bezpieczna?

Pytanie o to, na ile bezpieczne są technologie transgeniczne, jest okresowo podnoszone zarówno w środowisku naukowym, jak i w dalekich od nauki mediach. Nadal nie ma na nie jednoznacznej odpowiedzi.

Po pierwsze, inżynieria genetyczna jest wciąż dość nowym kierunkiem w biotechnologii, a statystyki, które pozwalają wyciągnąć obiektywne wnioski na temat tego problemu, jeszcze się nie zgromadziły.

Po drugie, ogromne inwestycje międzynarodowych koncernów spożywczych w inżynierię genetyczną mogą stanowić dodatkowy powód braku poważnych badań.

Jednak w prawie wielu krajów istnieją przepisy, które zobowiązują producentów do wskazywania obecności produktów GMO na opakowaniach produktów grupy spożywczej. W każdym razie inżynieria genetyczna wykazała już wysoką skuteczność swoich technologii, a jej dalszy rozwój obiecuje ludziom jeszcze więcej sukcesów i osiągnięć.

Encyklopedyczny YouTube

• 1 / 5

  Inżynieria genetyczna służy uzyskaniu pożądanych cech zmodyfikowanego lub zmodyfikowanego genetycznie organizmu. W przeciwieństwie do tradycyjnej hodowli, podczas której genotyp jest zmieniany tylko pośrednio, inżynieria genetyczna pozwala bezpośrednio ingerować w aparat genetyczny, wykorzystując technikę klonowania molekularnego. Przykładami zastosowań inżynierii genetycznej są produkcja nowych genetycznie modyfikowanych odmian roślin uprawnych, produkcja ludzkiej insuliny przy użyciu genetycznie modyfikowanych bakterii, produkcja erytropoetyny w hodowli komórkowej czy nowe rasy myszy doświadczalnych do badań naukowych.

  Podstawą przemysłu mikrobiologicznego, biosyntetycznego jest komórka bakteryjna. Komórki niezbędne do produkcji przemysłowej są selekcjonowane według określonych kryteriów, z których najważniejszym jest zdolność do wytwarzania, syntezy w maksymalnych możliwych ilościach określonego związku - aminokwasu lub antybiotyku, hormonu steroidowego lub kwasu organicznego . Czasami konieczne jest posiadanie mikroorganizmu, który może na przykład wykorzystywać olej lub ścieki jako „pożywienie” i przetwarzać je na biomasę lub nawet białko całkiem odpowiednie do dodatków paszowych. Czasami potrzebne są organizmy, które mogą rosnąć w podwyższonych temperaturach lub w obecności substancji, które są niewątpliwe zabójcze dla innych rodzajów mikroorganizmów.

  Zadanie pozyskania takich przemysłowych szczepów jest bardzo ważne, dla ich modyfikacji i selekcji opracowano liczne metody aktywnego oddziaływania na komórkę - od traktowania silnymi truciznami po napromieniowanie radioaktywne. Cel tych technik jest taki sam - osiągnięcie zmiany w dziedzicznym, genetycznym aparacie komórki. Ich efektem jest produkcja licznych zmutowanych mikroorganizmów, spośród setek i tysięcy, z których naukowcy starają się następnie wybrać najbardziej odpowiednie do określonego celu. Stworzenie technik mutagenezy chemicznej czy radiacyjnej było wybitnym osiągnięciem w biologii i jest szeroko stosowane we współczesnej biotechnologii.

  Ale ich możliwości są ograniczone przez naturę samych mikroorganizmów. Nie są w stanie syntetyzować wielu cennych substancji, które gromadzą się w roślinach, przede wszystkim olejków leczniczych i esencjonalnych. Nie potrafią syntetyzować substancji bardzo ważnych dla życia zwierząt i ludzi, wielu enzymów, hormonów peptydowych, białek odpornościowych, interferonów i wielu innych, po prostu ułożonych związków, które są syntetyzowane u zwierząt i ludzi. Oczywiście możliwości mikroorganizmów są dalekie od wyczerpania. Z obfitości mikroorganizmów tylko niewielka część została wykorzystana przez naukę, a zwłaszcza przez przemysł. Dla celów selekcji mikroorganizmów dużym zainteresowaniem cieszą się np. bakterie beztlenowe, które mogą żyć bez tlenu, fototrofy wykorzystujące energię świetlną jak rośliny, chemoautotrofy, bakterie termofilne, które mogą żyć w temperaturze, jak niedawno odkryto , około 110°C itp.

  A jednak ograniczenia „materiału naturalnego” są oczywiste. Próbowali i próbują obejść ograniczenia za pomocą kultur komórkowych i tkanek roślin i zwierząt. To bardzo ważny i obiecujący sposób, który jest wdrażany również w biotechnologii. W ciągu ostatnich kilku dekad naukowcy opracowali metody, dzięki którym pojedyncze komórki tkanki roślinnej lub zwierzęcej mogą rosnąć i rozmnażać się niezależnie od organizmu, podobnie jak komórki bakteryjne. Było to ważne osiągnięcie – powstałe w ten sposób hodowle komórkowe są wykorzystywane do eksperymentów oraz do przemysłowej produkcji niektórych substancji, których nie można uzyskać z hodowli bakteryjnych.

  Kolejnym kierunkiem badań jest usuwanie z DNA genów zbędnych do kodowania białek i funkcjonowania organizmów oraz tworzenie sztucznych organizmów na bazie takiego DNA z „okrojonym zestawem” genów. Umożliwia to gwałtowne zwiększenie odporności zmodyfikowanych organizmów na wirusy.

  Historia rozwoju i osiągnięty poziom techniki

  W drugiej połowie XX wieku dokonano kilku ważnych odkryć i wynalazków leżących u podstaw Inżynieria genetyczna. Wieloletnie próby „odczytania” informacji biologicznej „zapisanej” w genach zakończyły się sukcesem. Prace te zapoczątkowali angielski naukowiec Frederick Senger i amerykański naukowiec Walter Gilbert (Nagroda Nobla w dziedzinie chemii w 1980 r.). Jak wiadomo, geny zawierają informacje-instrukcje dotyczące syntezy cząsteczek RNA i białek w organizmie, w tym enzymów. Aby zmusić komórkę do syntezy dla niej nowych, nietypowych substancji, konieczne jest, aby zostały w niej zsyntetyzowane odpowiednie zestawy enzymów. W tym celu konieczne jest albo celowe zmienianie w nim genów, albo wprowadzanie do niego nowych, wcześniej nieobecnych genów. Zmiany w genach w żywych komórkach to mutacje. Występują pod wpływem np. mutagenów - trucizn chemicznych czy promieniowania. Ale takich zmian nie można kontrolować ani kierować. Dlatego naukowcy skoncentrowali swoje wysiłki na próbach opracowania metod wprowadzania do komórki nowych, bardzo specyficznych genów, których potrzebuje dana osoba.

  Główne etapy rozwiązania problemu inżynierii genetycznej są następujące:

  1. Uzyskanie wyizolowanego genu.
  2. Wprowadzenie genu do wektora w celu przeniesienia do organizmu.
  3. Przeniesienie wektora z genem do zmodyfikowanego organizmu.
  4. Transformacja komórek ciała.
  5. Selekcja organizmów zmodyfikowanych genetycznie ( GMO) i eliminując te, które nie zostały pomyślnie zmodyfikowane.

  Proces syntezy genów jest obecnie bardzo dobrze rozwinięty, a nawet w dużym stopniu zautomatyzowany. Istnieją specjalne urządzenia wyposażone w komputery, w pamięci których przechowywane są programy do syntezy różnych sekwencji nukleotydowych. Taka aparatura syntetyzuje odcinki DNA o długości do 100-120 zasad azotowych (oligonukleotydy). Rozpowszechniła się technika, która pozwala na wykorzystanie reakcji łańcuchowej polimerazy do syntezy DNA, w tym zmutowanego DNA. Termostabilny enzym, polimeraza DNA, wykorzystywany jest w nim do syntezy matrycowej DNA, który służy jako zaczyn dla sztucznie syntetyzowanych fragmentów kwasu nukleinowego - oligonukleotydów. Enzym odwrotnej transkryptazy umożliwia syntezę DNA przy użyciu takich starterów (primerów) na matrixie RNA wyizolowanego z komórek. Syntetyzowane w ten sposób DNA nazywane jest komplementarnym (RNA) lub cDNA. Wyizolowany, „chemicznie czysty” gen można również otrzymać z biblioteki fagowej. Tak nazywa się preparat bakteriofaga, w którego genom wstawiane są przypadkowe fragmenty genomu lub cDNA, reprodukowane przez faga wraz z całym jego DNA.

  Technika wprowadzania genów do bakterii została opracowana po odkryciu przez Fredericka Griffitha zjawiska transformacji bakteryjnej. Zjawisko to opiera się na prymitywnym procesie seksualnym, któremu u bakterii towarzyszy wymiana małych fragmentów niechromosomalnego DNA, plazmidów. Technologie plazmidowe stały się podstawą do wprowadzenia sztucznych genów do komórek bakteryjnych.

  Istotne trudności wiązały się z wprowadzeniem gotowego genu do dziedzicznego aparatu komórek roślinnych i zwierzęcych. Jednak w naturze zdarzają się przypadki, gdy obce DNA (wirusa lub bakteriofaga) zostaje włączone do aparatu genetycznego komórki i za pomocą swoich mechanizmów metabolicznych zaczyna syntetyzować „własne” białko. Naukowcy zbadali cechy wprowadzania obcego DNA i wykorzystali je jako zasadę wprowadzania materiału genetycznego do komórki. Ten proces nazywa się transfekcją.

  Jeśli modyfikowane są organizmy jednokomórkowe lub kultury komórek wielokomórkowych, to na tym etapie rozpoczyna się klonowanie, czyli selekcja tych organizmów i ich potomków (klonów), które przeszły modyfikację. Gdy zadanie polega na uzyskaniu organizmów wielokomórkowych, komórki o zmienionym genotypie są wykorzystywane do wegetatywnego rozmnażania roślin lub wstrzykiwane do blastocyst matki zastępczej, jeśli chodzi o zwierzęta. W rezultacie rodzą się młode ze zmienionym lub niezmienionym genotypem, spośród których wybiera się i krzyżuje tylko te, które wykazują oczekiwane zmiany.

  Zastosowanie w badaniach naukowych

  Choć na małą skalę, inżynieria genetyczna jest już wykorzystywana, aby dać kobietom z niektórymi rodzajami niepłodności szansę na zajście w ciążę. Aby to zrobić, użyj jaj zdrowej kobiety. Dziecko w rezultacie dziedziczy genotyp po jednym ojcu i dwóch matkach.

  Jednak możliwość wprowadzenia bardziej znaczących zmian w ludzkim genomie napotyka szereg poważnych problemów etycznych. W 2016 roku grupa naukowców w Stanach Zjednoczonych uzyskała zgodę na badania kliniczne metody leczenia raka z wykorzystaniem własnych komórek odpornościowych pacjenta, poddanych modyfikacji genów z wykorzystaniem technologii CRISPR/Cas9.

  Inżynieria komórkowa

  Inżynieria komórkowa opiera się na hodowli komórek i tkanek roślinnych i zwierzęcych zdolnych do wytwarzania substancji niezbędnych człowiekowi poza organizmem. Metodę tę stosuje się do klonalnego (bezpłciowego) rozmnażania cennych form roślinnych; do uzyskania komórek hybrydowych, które łączą właściwości np. limfocytów krwi i komórek nowotworowych, co pozwala na szybkie uzyskanie przeciwciał.

  Inżynieria genetyczna w Rosji

  Należy zauważyć, że po wprowadzeniu państwowej rejestracji GMO zauważalnie wzrosła aktywność niektórych organizacji publicznych i poszczególnych deputowanych do Dumy Państwowej, którzy starają się uniemożliwić wprowadzenie innowacyjnych biotechnologii do rosyjskiego rolnictwa. Ponad 350 rosyjskich naukowców podpisało list otwarty Towarzystwa Naukowców Wspierających Rozwój Inżynierii Genetycznej w Federacji Rosyjskiej. W liście otwartym zwraca się uwagę, że zakaz GMO w Rosji nie tylko zaszkodzi zdrowej konkurencji na rynku rolnym, ale doprowadzi do znacznego opóźnienia w technologiach produkcji żywności, wzrostu zależności od importu żywności i podważy prestiż Rosji jako państwa której oficjalnie ogłoszono kurs na innowacyjny rozwój [ znaczenie tego faktu? ] .

  Zobacz też

  Notatki

  1. Aleksandra Panczyna Pokonując Boga // Popularna mechanika . - 2017. - Nr 3. - S. 32-35. - URL: http://www.popmech.ru/magazine/2017/173-issue/
  2. Edycja genomu in vivo przy użyciu wysokowydajnego systemu TALEN(Język angielski) . Natura. Źródło 10 stycznia 2017 r.
  3. Pierwiastki - wiadomości naukowe: małpy wyleczone ze ślepoty barw za pomocą terapii genowej (nieokreślony) (18 września 2009). Źródło 10 stycznia 2017 r.