Генна інженерія (6) - реферат, сторінка 1
1.1. Основні поняття
Біотехнологія - це виробниче використання біологічних агентів або їх систем для отримання цінних продуктів і здійснення цільових перетворень.
Біологічні агенти в даному випадку - мікроорганізми, рослинні або тваринні клітини, клітинні компоненти (мембрани клітин, рибосоми, мітохондрії, хлоропласти), а також біологічні макромолекули (ДНК, РНК, білки - найчастіше ферменти). Біотехнологія використовує також вірусну ДНК або РНК для перенесення чужорідних генів в клітини.
Людина використовував біотехнологію багато тисяч років: люди пекли хліб, варили пиво, робили сир, використовуючи різні мікроорганізми, при цьому, навіть не підозрюючи про їх існування.
Власне сам термін з'явився в нашій мові не так давно, замість нього вживалися слова «промислова мікробіологія», «технічна біохімія» і ін.
Ймовірно, найдавнішим біотехнологічним процесом було зброджування за допомогою мікроорганізмів. На користь цього свідчить опис процесу приготування пива, виявлене в 1981 р. при розкопках Вавилона на дощечці, яка датується приблизно 6-м тисячоліттям до н. е.
Не менш древніми біотехнологічними процесами є виноробство, хлібопечення, і отримання молочнокислих продуктів.
У традиційному, класичному, розумінні біотехнологія - це наука про методи і технології виробництва різних речовин і продуктів з використанням природних біологічних об'єктів і процесів.
Термін «нова» біотехнологія на противагу «старій» біотехнології застосовують для поділу біопроцесів, що використовують методи генної інженерії і більш традиційні форми біопроцесів.
Так, звичайне виробництво спирту в процесі бродіння - «стара» біотехнологія, але використання в цьому процесі дріжджів, поліпшених методами генної інженерії з метою збільшення виходу спирту - «нова» біотехнологія.
Біотехнологія як наука є найважливішим розділом сучасної біології, яка, як і фізика, стала в кінці XX ст. одним з провідних пріоритетів в світовій науці й економіці.
Сплеск досліджень з біотехнології в світовій науці стався в 80-х роках, але, незважаючи на такий короткий термін свого існування, біотехнологія привернула пильну увагу, як вчених, так і широкої громадськості.
За прогнозами, вже на початку 21 століття біотехнологічні товари становитимуть чверть всієї світової продукції.
Що стосується більш сучасних біотехнологічних процесів, то вони засновані на методах рекомбінантних ДНК, а також на використанні іммобілізованих ферментів, клітин або клітинних органел.
Сучасна біотехнологія - це наука про генно-інженерних та клітинних методах створення і використання генетично трансформованих біологічних об'єктів для поліпшення виробництва або отримання нових видів продуктів різного призначення.
1.2. Основні напрямки біотехнологій
Умовно можна виділити наступні основні напрямки біотехнології:
біотехнологія харчових продуктів;
біотехнологія препаратів для сільського господарства;
біотехнологія препаратів і продуктів для промислового і побутового використання;
біотехнологія лікарських препаратів;
біотехнологія засобів діагностики і реактивів.
Біотехнологія також включає вилуговування і концентрування металів, захист навколишнього середовища від забруднення, деградацію токсичних відходів і збільшення видобутку нафти.
1.3. Генна інженерія - основа біотехнології
Генна інженерія - це область біотехнологій, що включає в себе дії по перебудові генотипів. Уже сьогодні генна інженерія дозволяє включати і вимикати окремі гени, контролюючи, таким чином, діяльність організмів, а також - переносити генетичні інструкції з одного організму в інший, в тому числі - організми іншого виду. У міру того, як генетики все більше дізнаються про роботу генів і білків, все більш реальною стає можливість довільним чином програмувати генотип (перш за все, людський), з легкістю досягаючи будь-яких результатів: таких, як стійкість до радіації, здатність жити під водою, здатність до регенерації пошкоджених органів і навіть безсмертя.
2. Генетична інженерія
2.1. Історія генної інженерії
Генна інженерія з'явилася завдяки роботам багатьох дослідників в різних галузях біохімії та молекулярної генетики.
Протягом багатьох років головним класом макромолекул вважали білки. Існувало навіть припущення, що гени мають білкову природу.
Лише в 1944 році Ейвері, Мак Леод і Мак Карті показали, що носієм спадкової інформації є ДНК.
З цього часу починається інтенсивне вивчення нуклеїнових кислот. Через десятиліття, в 1953 році Дж. Уотсон і Ф. Крик створили двуспіральную модель ДНК. Саме цей рік прийнято вважати роком народження молекулярної біології.
На рубежі 50-60-х років були з'ясовані властивості генетичного коду, а до кінця 60-х років його універсальність була підтверджена експериментально.
Йшов інтенсивний розвиток молекулярної генетики, об'єктами якої стали кишкова паличка (E. Coli), її віруси і плазміди.
Були розроблені методи виділення високоочищених препаратів непошкоджених молекул ДНК, плазмід і вірусів.
ДНК вірусів і плазмід вводили в клітини в біологічно активній формі, забезпечуючи її реплікацію і експресію відповідних генів.
У 70-х роках було відкрито ряд ферментів, які каталізують реакції перетворення ДНК. Особлива роль у розвитку методів генної інженерії належить рестріктази і ДНК-лігази.
Історію розвитку генетичної інженерії можна умовно розділити на три етапи:
Перший етап пов'язаний з доказом принципової можливості отримання рекомбінантних молекул ДНК in vitro. Ці роботи стосуються отримання гібридів між різними плазмідами. Була доведена можливість створення рекомбінантних молекул з використанням вихідних молекул ДНК з різних видів і штамів бактерій, їх життєздатність, стабільність і функціонування.
Другий етап пов'язаний з початком робіт з отримання рекомбінантних молекул ДНК між хромосомними генами прокаріотів і різними плазмідами, доказом їх стабільності і життєздатності.
Третій етап - початок робіт по включенню в векторні молекули ДНК (ДНК, які використовуються для перенесення генів і здатні вбудовуватися в генетичний апарат клітини-реципієнта) генів еукаріот, головним чином, тварин.
Формально датою народження генетичної інженерії слід вважати 1972 рік, коли в Стенфордському університеті П. Берг і С. Коен з співробітниками створили першу рекомбинантную ДНК, що містила фрагменти ДНК вірусу SV40, бактеріофага і E. coli.
2.2. Цілі і методи генної інженерії
Мета прикладної генетичної інженерії полягає в конструюванні таких рекомбінантних молекул ДНК, які при впровадженні в генетичний апарат надавали б організму властивості, корисні для людини.
На технології рекомбінантних ДНК грунтується отримання високоспецифічних ДНК-зондів, за допомогою яких вивчають експресію генів в тканинах, локалізацію генів в хромосомах, виявляють гени, що володіють родинними функціями (наприклад, у людини і курки). ДНК-зонди також використовуються в діагностиці різних захворювань.
Технологія рекомбінантних ДНК зробила можливим нетрадиційний підхід «білок-ген», який отримав назву «зворотна генетика». При такому підході з клітки виділяють білок, клонують ген цього білка, модифікують його, створюючи мутантний ген, що кодує змінену форму білка. Отриманий ген вводять в клітину. Таким способом можна виправляти дефектні гени і лікувати спадкові захворювання.
Якщо гібридну ДНК ввести в запліднене яйцеклітину, можуть бути отримані трансгенні організми, що передають мутантний ген нащадками.
Генетична трансформація тварин дозволяє встановити роль окремих генів і їх білкових продуктів як в регуляції активності інших генів, так і при різних патологічних процесах.
Технологія рекомбінантних ДНК використовує наступні методи:
специфічне розщеплення ДНК рестріцірующімі нуклеазами, що прискорює виділення і маніпуляції з окремими генами;
швидке секвенування всіх нуклеотидів в очищеному фрагменті ДНК, що дозволяє визначити межі гена і амінокислотну послідовність, кодованих їм;
конструювання рекомбінантних ДНК;
гібридизація нуклеїнових кислот, що дозволяє виявляти специфічні послідовності РНК або ДНК з більшою точністю і чутливістю;
клонування ДНК: ампліфікація in vitro за допомогою ланцюгової полімеразної реакції або введення фрагмента ДНК в бактеріальну клітину, яка після такої трансформації відтворює цей фрагмент у мільйонах копій;
введення рекомбінантних ДНК в клітини або організми.
2.3. Можливості генної інженерії.
Значного прогресу досягнуто в практичній області створення нових продуктів для медичної промисловості і лікування хвороб людини
В даний час фармацевтична промисловість завоювала лідируючі позиції в світі, що знайшло відображення не тільки в обсягах промислового виробництва, а й у фінансових коштах, вкладених в цю промисловість (за оцінками економістів, вона увійшла до лідируючої групи за обсягом купівлі-продажу акцій на ринках цінних паперів). Важливою новинкою стало і те, що фармацевтичні компанії включили в свою сферу виведення нових сортів сільськогосподарських рослин і тварин, і витрачають на це десятки мільйонів доларів на рік, вони ж мобілізували випуск хімічних речовин для побуту. Добавок до продукції будівельної індустрії і так далі. Вже не десятки тисяч, а можливо, кілька сот тисяч висококваліфікованих фахівців зайняті у дослідницьких та промислових секторах фарміндустрії, і саме в цих областях інтерес до геномних і генно-інженерних досліджень виключно високий. Очевидно тому будь-який прогрес біотехнологій рослин буде залежати від розробки генетичних систем і інструментів, які дозволять більш ефективно управляти трансгенами. Для чистого вирізання трансгенного ДНК в рослинний геном, все більше застосовують запозичені з мікробної генетики системи гомологичной рекомбінації, такі як системи Cre-lox і Flp-frt. Майбутнє, очевидно, буде за керованим перенесенням генів від сорту до сорту, заснованого на застосуванні попередньо підготовленого рослинного матеріалу, який вже містить в потрібних хромосомах ділянки гомології, необхідного для гомологичного вбудовування трансгени. Крім інтеграційних систем експресії, будуть випробувані автономно реплікується вектори. Особливий інтерес представляють штучні хромосоми рослин, які теоретично не накладають жодних обмежень на обсяг вноситься теоретичної інформації.
Методи, що дозволяють вести експресійної профілювання: субстракціонной гібридизація, електронне порівняння EST-бібліотек, «генні чіпи» і так далі. Вони дозволяють встановлювати кореляцію між тим чи іншим фенотипическим ознакою і активністю конкретних генів.