МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я УКРАЇНИ
Вітебського державного Медичне УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра медичної біології та загальної генетики
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
ГЕНЕТИЧНА ІНЖЕНЕРІЯ. БІОТЕХНОЛОГІЯ.
Виконавець:
Студент 1 групи I курсу
Фармацевтичного факультету
Балтруконіс С.А.
Керівник:
Асистент кафедри медичної біології та загальної генетики
Пашинська Катерина Сергіївна
Вітебськ, 2007р.
ПЛАН:
1) Генетична інженерія - основа біотехнології, її цілі і завдання.
2) Об'єкти і методи генетичної інженерії.
3) Практичне використання досягнень біотехнології у фармації та медицині.
4) Майбутнє генної інженерії.
Попередження негативних наслідків генно-інженерних маніпуляцій.
ЗМІСТ:
Введення
У своїй роботі я розкриваю тему досягнень генної інженерії і біотехнології. Можливості, що відкриваються генетичною інженерією перед людством як в галузі фундаментальної науки, так і в багатьох інших областях, вельми великі і нерідко навіть революційні.
Так, вона дозволяє здійснювати індустріальне масове виробництво потрібних білків, значно полегшує технологічні процеси для отримання продуктів ферментації - ензимів і амінокислот, в майбутньому може застосовуватися для поліпшення рослин і тварин, а також для лікування спадкових хвороб людини.
Таким чином, генна інженерія та біотехнологія, будучи одними з магістральних напрямків науково-технічного прогресу, активно сприяють прискоренню вирішення багатьох завдань, таких, як продовольча, сільськогосподарська, енергетична, екологічна.
Але особливо великі можливості генна інженерія відкриває перед медициною і фармацевтикою, оскільки застосування генної інженерії може призвести до корінних перетворень медицини.
Багато хвороб, для яких в даний час не існує адекватних методів діагностики та лікування (ракові, серцево-судинні, вірусні і паразитні інфекції, нервові і розумові розлади), за допомогою генної інженерії та біотехнології стануть доступні і діагностиці, і лікуванню.
Під впливом біотехнології медицина може перетворитися на дисципліну з ясним розумінням відбуваються в організмі молекулярних і генетичних процесів.
Біотехнологія
Виникнення біотехнології
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 у 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 1981р. при розкопках Вавилону на дощечці, яка датується приблизно 6-м тисячоліттям до н. е..
У 3-му тисячолітті до н. е.. шумери виготовляли до двох десятків видів пива. Не менш древніми біотехнологічними процесами є виноробство, хлібопечення, та 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 та 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 наприкінці XX ст. одним з провідних пріоритетів у світовій науці й економіці.
Сплеск досліджень з біотехнології у 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 будуть становити 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 методи створення та використання генетично трансформованих біологічних об'єктів для поліпшення виробництва або отримання нових видів продуктів різного призначення.
Основні напрями біотехнології
Умовно можна виділити такі основні напрями біотехнології:
· Біотехнологія харчових продуктів;
· Біотехнологія препаратів для сільського господарства;
· Біотехнологія препаратів і продуктів для промислового і побутового використання;
· Біотехнологія лікарських препаратів;
· Біотехнологія засобів діагностики та реактивів.
Біотехнологія також включає вилуговування та концентрування металів, захист навколишнього середовища від забруднення, деградацію токсичних відходів та збільшення видобутку нафти.
Біоенергетика як розділ біотехнології
Рослинний покрив Землі становить понад 1800 млрд. т сухої речовини, що енергетично еквівалентно відомим запасів енергії корисних копалин.
Ліси складають близько 68% біомаси суші, трав'яні екосистеми - приблизно 16%, а оброблювані землі - лише 8%.
Для сухої речовини найпростіший спосіб перетворення в енергію полягає в згорянні - воно забезпечує тепло, яке в свою чергу перетворюється в механічну або електричну енергію.
Що ж стосується сирої речовини, то в цьому випадку найдавнішим і найбільш ефективним методом перетворення біомаси в енергію є отримання біогазу (метану).
Метанове «бродіння», або біометаногенез, - давно відомий процес перетворення біомаси в енергію. Він був відкритий в 1776р. Вольтою, який встановив наявність метану в болотному газі.
Відходи харчової промисловості та сільськогосподарського виробництва характеризуються високим вмістом вуглецю (у разі перегонки буряків на 1л відходів доводиться до 50г вуглецю), тому вони найкраще підходять для метанового «бродіння», тим більше, що деякі з них виходять при температурі, найбільш сприятливою для цього процесу .
Конференція ООН з науки і техніки для країн, що розвиваються (1979р.) та експерти Економічної та соціальної комісії з країн Азії і Тихого океану підкреслили гідності сільськогосподарських програм, що використовують біогаз.
Треба відзначити, що 38% від 95-мільйонного поголів'я великої рогатої худоби в світі, 72% залишків цукрового очерету і 95% відходів бананів, кави і цитрусових припадають на частку країн Африки, Латинської Америки, Азії та Близького Сходу.
Не дивно, що в цих регіонах зосереджені величезні кількості сировини для метанового «бродіння».
Наслідком цього стала орієнтація деяких країн сільськогосподарсько орієнтованою економікою на біоенергетику.
Виробництво біогазу шляхом метанового «бродіння» відходів - одне з можливих рішень енергетичної проблеми в більшості сільських районів країн, що розвиваються.
Біотехнологія в змозі внести великий внесок у вирішення проблем енергетики також за допомогою виробництва досить дешевого биосинтетического етанолу, який, крім того, є і важливим сировиною для мікробіологічної промисловості при отриманні харчових і кормових білків, а також білково-ліпідних кормових препаратів.
Практичні досягнення біотехнології
За допомогою біотехнології отримано безліч продуктів для охорони здоров'я, сільського господарства, продовольчої та хімічної промисловості.
Причому важливо те, що багато хто з них не могли бути отримані без застосування біотехнологічних способів.
Особливо великі надії пов'язуються зі спробами використання мікроорганізмів і культур клітин для зменшення забруднення середовища і виробництва енергії.
У молекулярній біології використання біотехнологічних методів дозволяє визначити структуру геному, зрозуміти механізм експресії генів, змоделювати клітинні мембрани з метою вивчення їх функцій і т.д.
Конструювання потрібних генів методами генної та клітинної інженерії дозволяє керувати спадковістю і життєдіяльністю тварин, рослин і мікроорганізмів і створювати організми з новими корисними для людини властивостями, раніше не спостерігалися в природі.
Мікробіологічна промисловість в даний час використовує тисячі штамів різних мікроорганізмів. У більшості випадків вони поліпшені шляхом індукованого мутагенезу і подальшої селекції. Це дозволяє вести широкомасштабний синтез різних речовин.
Деякі білки і вторинні метаболіти можуть бути отримані тільки шляхом культивування клітин еукаріот. Рослинні клітини можуть служити джерелом ряду сполук - атропін, нікотин, алкалоїди, сапоніни та ін
У біохімії, мікробіології, цитології безсумнівний інтерес викликають методи іммобілізації як ферментів, так і цілих клітин мікроорганізмів, рослин і тварин.
У ветеринарії широко використовуються такі біотехнологічні методи, як культура клітин і зародків, овогенез in vitro, штучне запліднення.
Все це свідчить про те, що біотехнологія стане джерелом не тільки нових продуктів харчування і медичних препаратів, але і отримання енергії і нових хімічних речовин, а також організмів із заданими властивостями.
Біологізація і екологізація
В даний час все більше набувають популярності ідеї екологізації і в більш широкому сенсі біологізації всієї господарської і виробничої діяльності.
Під екологізації, як початковим етапом біологізації, можна розуміти скорочення шкідливих викидів виробництва в навколишнє середовище, створення маловідходних і безвідходних промислових комплексів із замкнутим циклом і т. п.
Біологізацію ж слід розуміти більш широко, як радикальне перетворення виробничої діяльності на основі біологічних законів біотичного кругообігу біосфери.
Метою подібного перетворення повинно бути вбудовування всієї господарсько-виробничої діяльності в біотичний кругообіг.
Особливо наочно ця необхідність видно на феномені стратегічної безпорадності хімічного захисту рослин:
Справа в тому, що в даний час немає в світі жодного пестициду, до якого б не пристосувалися шкідники рослин.
Більше того, тепер чітко виявилася закономірність подібного пристосування: якщо у 1917р. з'явився один вид комах, що пристосувалися до ДДТ, то в 1980р. таких видів стало 432.
Застосовувані пестициди і гербіциди вкрай шкідливі не тільки для всього тваринного світу, але і для людини.
Точно так само в даний час стає зрозумілою і стратегічна безперспективність застосування хімічних добрив. У цих умовах абсолютно природний перехід до біологічного захисту рослин та біоорганічної технології з мінімумом хімічних добрив.
Вирішальну роль у процесі біологізації сільського господарства може зіграти біотехнологія.
Можна й потрібно говорити про біологізації техніки, промислового виробництва та енергетики.
Активно розвивається біоенергетика обіцяє революційні перетворення, оскільки вона орієнтована на поновлювані джерела енергії та сировини.
Перспективи розвитку біотехнології
Центральна проблема біотехнології - інтенсифікація біопроцесів як за рахунок підвищення потенціалу біологічних агентів і їх систем, так і за рахунок удосконалення обладнання, застосування біокаталізаторів (іммобілізованих ферментів і клітин) у промисловості, аналітичної хімії, медицині.
В основі промислового використання досягнень біології лежить техніка створення рекомбінантних молекул ДНК.
Конструювання потрібних генів дозволяє керувати спадковістю і життєдіяльністю тварин, рослин і мікроорганізмів і створювати організми з новими властивостями.
Зокрема, можливе управління процесом фіксації атмосферного азоту і перенесення відповідних генів із клітин мікроорганізмів в геном рослинної клітини.
В якості джерел сировини для біотехнології все більшого значення набуватимуть відтворювані ресурси не харчових рослинних матеріалів, відходів сільського господарства, які служать додатковим джерелом як кормових речовин, так і вторинного палива (біогазу) і органічних добрив.
Однією з бурхливо розвиваються галузей біотехнології вважається технологія мікробного синтезу цінних для людини речовин. За прогнозами, подальший розвиток цієї галузі спричинить за собою перерозподіл ролей у формуванні продовольчої бази людства рослинництва і тваринництва з одного боку, і мікробного синтезу - з іншого.
Не менш важливим аспектом сучасної мікробіологічної технології є вивчення участі мікроорганізмів в біосферних процесах і спрямована регуляція їх життєдіяльності з метою вирішення проблеми охорони навколишнього середовища від техногенних, сільськогосподарських і побутових забруднень.
З цією проблемою тісно пов'язані дослідження з виявлення ролі мікроорганізмів у родючості грунтів (гумусообразованія і поповнення запасів біологічного азоту), боротьбі зі шкідниками та хворобами сільськогосподарських культур, утилізації пестицидів та інших хімічних сполук у грунті.
Наявні в цій галузі знання свідчать про те, що зміна стратегії господарської діяльності людини від хімізації до біологізації землеробства виправдовується як з економічної, так і з екологічної точок зору.
У даному напрямку перед біотехнологією може бути поставлена мета регенерації ландшафтів.
Ведуться роботи по створенню біополімерів, які будуть здатні замінити сучасні пластмаси. Ці біополімери мають істотну перевагу перед традиційними матеріалами, так як нетоксичні і схильні до біодеградації, тобто легко розкладаються після їх використання, не забруднюючи навколишнє середовище.
Біотехнології, засновані на досягненнях мікробіології, найбільш економічно ефективні при комплексному їх застосуванні і створенні безвідходних виробництв, що не порушують екологічної рівноваги.
Вітебського державного Медичне УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра медичної біології та загальної генетики
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
ГЕНЕТИЧНА ІНЖЕНЕРІЯ. БІОТЕХНОЛОГІЯ.
Виконавець:
Студент 1 групи I курсу
Фармацевтичного факультету
Балтруконіс С.А.
Керівник:
Асистент кафедри медичної біології та загальної генетики
Пашинська Катерина Сергіївна
Вітебськ, 2007р.
ПЛАН:
1) Генетична інженерія - основа біотехнології, її цілі і завдання.
2) Об'єкти і методи генетичної інженерії.
3) Практичне використання досягнень біотехнології у фармації та медицині.
4) Майбутнє генної інженерії.
Попередження негативних наслідків генно-інженерних маніпуляцій.
ЗМІСТ:
| Номер сторінки: | |
| Введення | С. 4 |
| Біотехнологія | С. 4 |
| Виникнення біотехнології | С. 4 |
| Основні напрями біотехнології | С. 5 |
| Біоенергетика як розділ біотехнології | С. 5 |
| Практичні досягнення біотехнології | С. 6 |
| Біологізація і екологізація | С. 7 |
| Перспективи розвитку біотехнології | С. 8 |
| Генетична інженерія | С. 9 |
| Історія генетичної інженерії | С. 9 |
| Генетична інженерія | С. 10 |
| Цілі і методи генної інженерії | С. 11 |
| Ферменти генетичної інженерії | С. 12 |
| Досягнення генетичної інженерії | С. 12 |
| Біоетичні аспекти генної інженерії | С. 15 |
| Висновок | С. 15 |
| Використана література | С. 17 |
Введення
У своїй роботі я розкриваю тему досягнень генної інженерії і біотехнології. Можливості, що відкриваються генетичною інженерією перед людством як в галузі фундаментальної науки, так і в багатьох інших областях, вельми великі і нерідко навіть революційні.
Так, вона дозволяє здійснювати індустріальне масове виробництво потрібних білків, значно полегшує технологічні процеси для отримання продуктів ферментації - ензимів і амінокислот, в майбутньому може застосовуватися для поліпшення рослин і тварин, а також для лікування спадкових хвороб людини.
Таким чином, генна інженерія та біотехнологія, будучи одними з магістральних напрямків науково-технічного прогресу, активно сприяють прискоренню вирішення багатьох завдань, таких, як продовольча, сільськогосподарська, енергетична, екологічна.
Але особливо великі можливості генна інженерія відкриває перед медициною і фармацевтикою, оскільки застосування генної інженерії може призвести до корінних перетворень медицини.
Багато хвороб, для яких в даний час не існує адекватних методів діагностики та лікування (ракові, серцево-судинні, вірусні і паразитні інфекції, нервові і розумові розлади), за допомогою генної інженерії та біотехнології стануть доступні і діагностиці, і лікуванню.
Під впливом біотехнології медицина може перетворитися на дисципліну з ясним розумінням відбуваються в організмі молекулярних і генетичних процесів.
Біотехнологія
Виникнення біотехнології
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 у 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 1981р. при розкопках Вавилону на дощечці, яка датується приблизно 6-м тисячоліттям до н. е..
У 3-му тисячолітті до н. е.. шумери виготовляли до двох десятків видів пива. Не менш древніми біотехнологічними процесами є виноробство, хлібопечення, та 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 та 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 наприкінці XX ст. одним з провідних пріоритетів у світовій науці й економіці.
Сплеск досліджень з біотехнології у 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 будуть становити 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 методи створення та використання генетично трансформованих біологічних об'єктів для поліпшення виробництва або отримання нових видів продуктів різного призначення.
Основні напрями біотехнології
Умовно можна виділити такі основні напрями біотехнології:
· Біотехнологія харчових продуктів;
· Біотехнологія препаратів для сільського господарства;
· Біотехнологія препаратів і продуктів для промислового і побутового використання;
· Біотехнологія лікарських препаратів;
· Біотехнологія засобів діагностики та реактивів.
Біотехнологія також включає вилуговування та концентрування металів, захист навколишнього середовища від забруднення, деградацію токсичних відходів та збільшення видобутку нафти.
Біоенергетика як розділ біотехнології
Рослинний покрив Землі становить понад 1800 млрд. т сухої речовини, що енергетично еквівалентно відомим запасів енергії корисних копалин.
Ліси складають близько 68% біомаси суші, трав'яні екосистеми - приблизно 16%, а оброблювані землі - лише 8%.
Для сухої речовини найпростіший спосіб перетворення в енергію полягає в згорянні - воно забезпечує тепло, яке в свою чергу перетворюється в механічну або електричну енергію.
Що ж стосується сирої речовини, то в цьому випадку найдавнішим і найбільш ефективним методом перетворення біомаси в енергію є отримання біогазу (метану).
Метанове «бродіння», або біометаногенез, - давно відомий процес перетворення біомаси в енергію. Він був відкритий в 1776р. Вольтою, який встановив наявність метану в болотному газі.
Відходи харчової промисловості та сільськогосподарського виробництва характеризуються високим вмістом вуглецю (у разі перегонки буряків на 1л відходів доводиться до 50г вуглецю), тому вони найкраще підходять для метанового «бродіння», тим більше, що деякі з них виходять при температурі, найбільш сприятливою для цього процесу .
Конференція ООН з науки і техніки для країн, що розвиваються (1979р.) та експерти Економічної та соціальної комісії з країн Азії і Тихого океану підкреслили гідності сільськогосподарських програм, що використовують біогаз.
Треба відзначити, що 38% від 95-мільйонного поголів'я великої рогатої худоби в світі, 72% залишків цукрового очерету і 95% відходів бананів, кави і цитрусових припадають на частку країн Африки, Латинської Америки, Азії та Близького Сходу.
Не дивно, що в цих регіонах зосереджені величезні кількості сировини для метанового «бродіння».
Наслідком цього стала орієнтація деяких країн сільськогосподарсько орієнтованою економікою на біоенергетику.
Виробництво біогазу шляхом метанового «бродіння» відходів - одне з можливих рішень енергетичної проблеми в більшості сільських районів країн, що розвиваються.
Біотехнологія в змозі внести великий внесок у вирішення проблем енергетики також за допомогою виробництва досить дешевого биосинтетического етанолу, який, крім того, є і важливим сировиною для мікробіологічної промисловості при отриманні харчових і кормових білків, а також білково-ліпідних кормових препаратів.
Практичні досягнення біотехнології
За допомогою біотехнології отримано безліч продуктів для охорони здоров'я, сільського господарства, продовольчої та хімічної промисловості.
Причому важливо те, що багато хто з них не могли бути отримані без застосування біотехнологічних способів.
Особливо великі надії пов'язуються зі спробами використання мікроорганізмів і культур клітин для зменшення забруднення середовища і виробництва енергії.
У молекулярній біології використання біотехнологічних методів дозволяє визначити структуру геному, зрозуміти механізм експресії генів, змоделювати клітинні мембрани з метою вивчення їх функцій і т.д.
Конструювання потрібних генів методами генної та клітинної інженерії дозволяє керувати спадковістю і життєдіяльністю тварин, рослин і мікроорганізмів і створювати організми з новими корисними для людини властивостями, раніше не спостерігалися в природі.
Мікробіологічна промисловість в даний час використовує тисячі штамів різних мікроорганізмів. У більшості випадків вони поліпшені шляхом індукованого мутагенезу і подальшої селекції. Це дозволяє вести широкомасштабний синтез різних речовин.
Деякі білки і вторинні метаболіти можуть бути отримані тільки шляхом культивування клітин еукаріот. Рослинні клітини можуть служити джерелом ряду сполук - атропін, нікотин, алкалоїди, сапоніни та ін
У біохімії, мікробіології, цитології безсумнівний інтерес викликають методи іммобілізації як ферментів, так і цілих клітин мікроорганізмів, рослин і тварин.
У ветеринарії широко використовуються такі біотехнологічні методи, як культура клітин і зародків, овогенез in vitro, штучне запліднення.
Все це свідчить про те, що біотехнологія стане джерелом не тільки нових продуктів харчування і медичних препаратів, але і отримання енергії і нових хімічних речовин, а також організмів із заданими властивостями.
Біологізація і екологізація
В даний час все більше набувають популярності ідеї екологізації і в більш широкому сенсі біологізації всієї господарської і виробничої діяльності.
Під екологізації, як початковим етапом біологізації, можна розуміти скорочення шкідливих викидів виробництва в навколишнє середовище, створення маловідходних і безвідходних промислових комплексів із замкнутим циклом і т. п.
Біологізацію ж слід розуміти більш широко, як радикальне перетворення виробничої діяльності на основі біологічних законів біотичного кругообігу біосфери.
Метою подібного перетворення повинно бути вбудовування всієї господарсько-виробничої діяльності в біотичний кругообіг.
Особливо наочно ця необхідність видно на феномені стратегічної безпорадності хімічного захисту рослин:
Справа в тому, що в даний час немає в світі жодного пестициду, до якого б не пристосувалися шкідники рослин.
Більше того, тепер чітко виявилася закономірність подібного пристосування: якщо у 1917р. з'явився один вид комах, що пристосувалися до ДДТ, то в 1980р. таких видів стало 432.
Застосовувані пестициди і гербіциди вкрай шкідливі не тільки для всього тваринного світу, але і для людини.
Точно так само в даний час стає зрозумілою і стратегічна безперспективність застосування хімічних добрив. У цих умовах абсолютно природний перехід до біологічного захисту рослин та біоорганічної технології з мінімумом хімічних добрив.
Вирішальну роль у процесі біологізації сільського господарства може зіграти біотехнологія.
Можна й потрібно говорити про біологізації техніки, промислового виробництва та енергетики.
Активно розвивається біоенергетика обіцяє революційні перетворення, оскільки вона орієнтована на поновлювані джерела енергії та сировини.
Перспективи розвитку біотехнології
Центральна проблема біотехнології - інтенсифікація біопроцесів як за рахунок підвищення потенціалу біологічних агентів і їх систем, так і за рахунок удосконалення обладнання, застосування біокаталізаторів (іммобілізованих ферментів і клітин) у промисловості, аналітичної хімії, медицині.
В основі промислового використання досягнень біології лежить техніка створення рекомбінантних молекул ДНК.
Конструювання потрібних генів дозволяє керувати спадковістю і життєдіяльністю тварин, рослин і мікроорганізмів і створювати організми з новими властивостями.
Зокрема, можливе управління процесом фіксації атмосферного азоту і перенесення відповідних генів із клітин мікроорганізмів в геном рослинної клітини.
В якості джерел сировини для біотехнології все більшого значення набуватимуть відтворювані ресурси не харчових рослинних матеріалів, відходів сільського господарства, які служать додатковим джерелом як кормових речовин, так і вторинного палива (біогазу) і органічних добрив.
Однією з бурхливо розвиваються галузей біотехнології вважається технологія мікробного синтезу цінних для людини речовин. За прогнозами, подальший розвиток цієї галузі спричинить за собою перерозподіл ролей у формуванні продовольчої бази людства рослинництва і тваринництва з одного боку, і мікробного синтезу - з іншого.
Не менш важливим аспектом сучасної мікробіологічної технології є вивчення участі мікроорганізмів в біосферних процесах і спрямована регуляція їх життєдіяльності з метою вирішення проблеми охорони навколишнього середовища від техногенних, сільськогосподарських і побутових забруднень.
З цією проблемою тісно пов'язані дослідження з виявлення ролі мікроорганізмів у родючості грунтів (гумусообразованія і поповнення запасів біологічного азоту), боротьбі зі шкідниками та хворобами сільськогосподарських культур, утилізації пестицидів та інших хімічних сполук у грунті.
Наявні в цій галузі знання свідчать про те, що зміна стратегії господарської діяльності людини від хімізації до біологізації землеробства виправдовується як з економічної, так і з екологічної точок зору.
У даному напрямку перед біотехнологією може бути поставлена мета регенерації ландшафтів.
Ведуться роботи по створенню біополімерів, які будуть здатні замінити сучасні пластмаси. Ці біополімери мають істотну перевагу перед традиційними матеріалами, так як нетоксичні і схильні до біодеградації, тобто легко розкладаються після їх використання, не забруднюючи навколишнє середовище.
Біотехнології, засновані на досягненнях мікробіології, найбільш економічно ефективні при комплексному їх застосуванні і створенні безвідходних виробництв, що не порушують екологічної рівноваги.
Їх розвиток дозволить замінити багато величезні заводи хімічної промисловості екологічно чистими компактними виробництвами.
Важливим і перспективним напрямком біотехнології є розробка способів одержання екологічно чистої енергії.
Отримання біогазу і етанолу були розглянуті вище, але є і принципово нові експериментальні підходи в цьому напрямку.
Одним з них є отримання фотоводорода:
«Якщо з хлоропластів виділити мембрани, що містять фотосистему 2, то на світлі відбувається фотоліз води - розкладання її на кисень і водень. Моделювання процесів фотосинтезу, що відбуваються в хлоропластах, дозволило б запасати енергію Сонця у коштовному паливі - водні ».
Переваги такого способу отримання енергії очевидні:
· Наявність надлишку субстрату, води;
· Нелімітіруемий джерело енергії - Сонце;
· Продукт (водень) можна зберігати, не забруднюючи атмосферу;
· Водень має високу теплотворну здатність (29 ккал / г) в порівнянні з вуглеводнями (3.5 ккал / г);
· Процес йде при нормальній температурі без утворення токсичних проміжних продуктів;
· Процес циклічний, тому що при споживанні водню регенерується субстрат - вода.
Генетична інженерія
Історія генетичної інженерії
Генна інженерія з'явилася завдяки роботам багатьох дослідників у 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 та експресію відповідних генів.
У 70-х роках було відкрито ряд ферментів, що каталізують реакції перетворення ДНК. Особлива роль у розвитку методів генної інженерії належить рестріктаза 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 їхньої стабільності і життєздатності.
Третій етап - початок робіт по включенню у векторні молекули ДНК (ДНК, 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 рекомбіновану ДНК, містила фрагменти ДНК вірусу SV40, бактеріофага і E. coli.
Генетична інженерія
Одним з розділів молекулярної генетики та молекулярної біології, який знайшов найбільше практичне застосування, є генна інженерія.
Генна інженерія - це сума методів, що дозволяють переносити гени з одного організму в інший, або - це технологія спрямованого конструювання нових біологічних об'єктів.
Народився на початку 70-х років, вона домоглася сьогодні великих успіхів. Методи генної інженерії перетворять клітини бактерій, дріжджів і ссавців у «фабрики» для масштабного виробництва будь-якого білка.
Це дає можливість детально аналізувати структуру і функції білків і використовувати їх в якості лікарських засобів.
В даний час кишкова паличка (E. coli) стала постачальником таких важливих гормонів як інсулін і соматотропін.
Раніше інсулін отримували з клітин підшлункової залози тварин, тому вартість його була дуже висока. Для отримання 100г кристалічного інсуліну потрібно 800-1000кг підшлункової залози, а один заліза корови важить 200-250грамм. Це робило інсулін дорогим і важкодоступним для широкого кола діабетиків.
Інсулін складається з двох поліпептидних ланцюгів А і В довжиною 20 і 30 амінокислот. При з'єднанні їх дисульфідними зв'язками утворюється нативний дволанцюжкової інсулін.
Було показано, що він не містить білків E. coli, ендотоксинів та інших домішок, не дає побічних ефектів, як інсулін тварин, а з біологічної активності від нього не відрізняється.
Соматотропін - гормон росту людини, секретується гіпофізом. Недолік цього гормону призводить до гіпофізарної карликовості. Якщо вводити соматотропін в дозах 10 мг на 1 кг ваги три рази на тиждень, то за рік дитина, яка страждає від його нестачі, може зрости на 6 см .
Раніше його отримували з трупного матеріалу, з одного трупа: 4 - 6 мг соматотропіну в перерахунку на кінцевий фармацевтичний препарат. Таким чином, доступні кількості гормону були обмежені, крім того, гормон, що отримується цим способом, був неоднорідний і міг містити повільно розвиваються віруси.
Компанія "Genentec" в 1980 році розробила технологію виробництва соматотропіну за допомогою бактерій, який був позбавлений перерахованих недоліків. У 1982 році гормон росту людини був отриманий в культурі E. coli і тварин клітин в інституті Пастера у Франції, а з 1984 року розпочато промислове виробництво інсуліну і в СРСР.
Цілі і методи генетичної 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 засновано отримання високоспецифічних ДНК-зондів, за допомогою яких вивчають експресію генів у тканинах, локалізацію генів у хромосомах, виявляють гени, що володіють спорідненими функціями (наприклад, у людини і курки). ДНК-зонди також використовуються в діагностиці різних захворювань.
Технологія рекомбінантних ДНК зробила можливим нетрадиційний підхід «білок-ген», що отримав назву «зворотний генетика». При такому підході з клітини 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, передають мутантний ген нащадками.
Генетична трансформація тварин дозволяє встановити роль окремих генів і їх білкових продуктів як у регуляції активності інших генів, так і при різних патологічних процесах.
Технологія рекомбінантних ДНК використовує наступні методи:
· Специфічне розщеплення ДНК рестріцірующімі нуклеазами, прискорює виділення і маніпуляції з окремими генами;
· Швидке секвенування всіх нуклеотидів очищеному фрагменті ДНК, що дозволяє визначити межі гена і амінокислотну послідовність, кодованих їм;
· Конструювання рекомбінантної 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 рекомбінантної ДНК в клітини або організми.
Ферменти генетичної інженерії
Генетична інженерія - нащадок молекулярної генетики, але своїм народженням зобов'язана успіхам генетичної ензимології та хімії нуклеїнових кислот, так як інструментами молекулярного маніпулювання є ферменти.
Якщо з клітинами і клітинними органелами ми часом можемо працювати мікроманіпуляторів, то ніякі, навіть самі дрібні мікрохірургічні інструменти не допоможуть при роботі з макромолекулами ДНК і РНК.
Тільки ферменти можуть знайти певні послідовності нуклеотидів, «розрізати» там молекулу або, навпаки, «заштопати» дірку в ланцюзі ДНК.
Ці ферменти здавна перебувають у клітці, виконуючи роботи по реплікації (подвоєння) ДНК при діленні клітини, репарації ушкоджень (відновлення цілісності молекули), у процесах зчитування і перенесення генетичної інформації з клітки в клітку або в межах клітини.
Завдання генного інженера - підібрати фермент, який виконав би поставлені завдання, тобто зміг би працювати з певною ділянкою нуклеїнової кислоти.
Слід зазначити, що ферменти, що застосовуються в генній інженерії, позбавлені видової специфічності, тому експериментатор може поєднувати в єдине ціле фрагменти ДНК будь-якого походження в обраній ним послідовності.
Це дозволяє генної інженерії долати встановлені природою видові бар'єри і здійснювати міжвидові схрещування.
Ферменти, що застосовуються при конструюванні рекомбінантних ДНК, можна розділити на кілька груп:
· Ферменти, за допомогою яких отримують фрагменти ДНК (рестриктаз);
· Ферменти, які синтезують ДНК на матриці ДНК (полімерази) або РНК (зворотні транскриптази);
· Ферменти, що з'єднують фрагменти ДНК (лігази);
· Ферменти, що дозволяють здійснити зміну структури решт фрагментів ДНК.
Досягнення генетичної інженерії
За допомогою генетичної інженерії створені лінії тварин, стійких до вірусних захворювань, а також породи тварин з корисними для людини ознаками.
Наприклад, мікроін'єкція рекомбінантної ДНК, яка мала ген соматотропіну бика в зиготу кролика дозволила отримати трансгенні тварина з гіперпродукцією цього гормону. Отримані тварини мали яскраво вираженої акромегалію.
Генна інженерія відкрила шлях для виробництва продуктів білкової природи шляхом введення в клітини мікроорганізмів, штучно синтезованих генів, де вони можуть експресуватися (вбудовуватися) до складу гібридних молекул.
Першою вдалою спробою такого роду стала робота К. Ітакури і Г. Бойєра з співавторами (1977р.) за експресією в Є. coil хімічно синтезованого гена, що кодує гормон ссавців - соматостатин.
Ген соматостатину був отриманий на основі відомостей про первинний будові цього пептидного гормону, який складається всього з 14 амінокислот. Використаний в цій роботі підхід виявився досить перспективним для отримання та багатьох інших пептидних гормонів.
У різних лабораторіях в СРСР і за кордоном були створені штами Е. coli, синтезують у складі гібридних білків гормон росту людини (соматотропін), пептидні гормони - брадикінін і ангіотензин, нейропептид лей-енкефалінів та ін
Ген гормону росту людини довжиною 584 пар основ - найдовший зі штучно синтезованих в даний час. Він був вмонтований в плазміду, реплікується в Є. coli під контролем промотора триптофанового оперону.
Трансформовані отриманої химерною плазмидой клітини Є. coli продукували при індукції промотора близько 3 млн. молекул гормону росту людини в розрахунку на клітину. Цей поліпептид, як було встановлено в експериментах на щурах з віддаленим гіпофізом, за функціями виявився повністю ідентичний гормону росту людини.
В 1976р. Гілберт і Максам в Гарвардському університеті, а також Сенгер розробили найшвидший метод хімічного аналізу ДНК. З'явилася реальна можливість визначати послідовність до 1000 нуклеотидів на тиждень силами одного дослідника.
У 1982-1985рр. стало можливо створити прилад для автоматичного аналізу нуклеїнових кислот (а значить і генів).
Ще один важливий етап - це синтез біополімерів за встановленою структурі. Перші комерційні прилади, що виробляють автоматизований синтез поліпептидів, були розроблені на основі досліджень Мерріфілд у 1963р. Вони використовуються у дослідницьких лабораторіях і у фармацевтичній промисловості.
Метод хімічного синтезу генів забезпечив також можливість отримання штамів бактерій продуцентів інсуліну людини, важливого лікувального препарату для хворих на діабет.
«Ген інсуліну синтезували у вигляді більш сорока в основному шестичленних олігонуклеотидів, які потім об'єднували в єдину структуру з допомогою ДНК-лігази. Отримані дволанцюжкові полінуклеотіди довжиною 271 і 286 пар основ були вбудовані в плазмідні вектори. Туди ж були вбудовані і регуляторні ділянки ДНК, що забезпечують експресію гібридних молекул. Клоновані гени кодували синтез проінсуліну, який шляхом нескладної хімічної обробки можна перетворити на активний інсулін, включає дві поліпептидні ланцюги А і В з 21 і 30 амінокислотних залишків, сполучених між собою сульфгідрильними зв'язками ».
Таким способом отримані і клоновані гени, що кодують глобіну людини, тварин і птахів, білок кришталика ока бика, яєчний білок, фиброин шовку, що продукується тутового шовкопряда, та ін
Цей же принцип був застосований для отримання, клонування та експресії генів інтерферону людини в бактеріях. Інтерферон - цінний лікарський препарат, який широко використовується для боротьби з вірусними інфекціями та лікування ряду інших захворювань, включаючи злоякісні пухлини. Інтерферон виробляється в клітинах тварин і людини, але володіє вираженою видовою специфічністю.
Ю. А. Овчинников та В. Г. Дебабов з співробітниками отримали мікроорганізми, ефективно синтезують інтерферони людини. Цим дослідникам вдалося сконструювати рекомбінантні плазміди, які обумовлюють синтез інтерферону людини в Є. coli.
Очищений з клітин бактерій інтерферон за своїми фізико-хімічними та біологічними властивостями виявився близький інтерферону, що знаходиться в крові донорів.
За рахунок введення в векторну плазміду сигнальних послідовностей, що ініціюють синтез і РНК і білка, вдалося отримати бактерії, здатні синтезувати до 5 мг інтерферону в розрахунку на 1 л суспензії бактерій. Це в 5000 разів більше, ніж міститься в 1л крові донорів. Заміна Є. coli на мікроби деяких інших видів дозволяє ще більше збільшити продуктивність такої «фабрики інтерферону».
До відкриттів пов'язаних з досягненнями генної інженерії потрібно додати те, що величезний генетичний «креслення» багатоклітинного істоти прорахований повністю.
Після восьми років роботи багатьох дослідницьких груп вдалося точно визначити 97 мільйонів пар нуклеотидів і їх місцезнаходження в спіралі ДНК, що зберігає повну спадкову інформацію мікроскопічного черв'ячка Сaenorhabditis elegans довжиною близько міліметра.
Хоча це дуже маленький хробак, швидше черв'ячок, з нього без жодного перебільшення починається нова ера в біології. Геном цієї нематоди складається з 97 мільйонів пар нуклеотидів ДНК, округлено 0,1 мільярда пар. Геном людини, відповідно до більшості оцінок, - 3 мільярди нуклеотидних пар. Різниця в 30 разів. Однак саме ця робота, про яку йде мова, остаточно переконала навіть найзатятіших скептиків, що розшифровка будови всього геному людини не тільки можлива, а й досяжна в найближчі роки.
Природно, розшифрувати геном таких гігантських розмірів, як у названої нематоди (97 мільйонів пар нуклеотидів ДНК), неможливо без величезної підготовчої роботи. Її в основному завершили до 1989 року. Перш за все, була побудована фізична карта всього геному нематоди. Фізична карта являє собою невеликі ділянки ДНК відомої структури (маркери), розташовані на певних відстанях один від одного.
І ось з 1990 року почалося саме секвенування. Його темп становив у 1992 році 1 мільйон пар нуклеотидів в рік. Якщо б такий темп зберігся, на розшифровку усього генома знадобилося б майже 100 років! Прискорити роботи вдалося найпростішим способом - число дослідників у кожному центрі зросла приблизно до 100. У міру того, як розкривалася нуклеотидна послідовність ДНК C. elegans, довелося розлучитися з двома помилками:
По-перше, виявилося, що генів у неї не 15 тисяч, як припускали спочатку, а 19099.
По-друге, надія на те, що гени зосереджені в середині хромосом, а до кінців сильно рідшають, виправдалася лише частково: гени розподілені уздовж хромосом відносно рівномірно, хоча в центральній частині їх все-таки більше.
У лабораторіях світу повним ходом іде розшифровка геному людини. Ця міжнародна програма була розпочата в 1989 році.
Зараз в різних країнах світу, в лабораторіях, що поділили між собою «фронт робіт» (всього треба прочитати близько трьох мільярдів пар нуклеотидів), щодня розшифровується більше мільйона нуклеотидних пар, причому темп робіт всі прискорюється.
Якщо у дріжджів функція половини генів у геномі невідома (так звані мовчазні гени), то у хробака C. elegans ця частка ще більше: з 19 тисяч генів 12 тисяч залишаються поки загадковими.
Значення секвенування генома нематоди, звичайно, виходить далеко за рамки того, що можна назвати полігоном для розшифровки генома людини. C. elegans - перший багатоклітинний організм, геном якого розкрито практично повністю.
Можна нагадати: кілька років тому був розшифрований перший геном еукаріотичного організму - дріжджів, тобто організму, клітини якого містять оформлені ядра.
Інакше кажучи, за два роки був пройдений шлях від генома одноклітинного до геному багатоклітинного організму.
Програма «Геном людини», як уже говорилося, - програма загальнолюдська. Кожна лабораторія, в якій би країні вона не знаходилася, вносить до неї посильний внесок. І як тільки комусь вдається розкрити структуру нового гена, ця інформація негайно надходить в Міжнародний банк даних, доступний кожному досліднику.
Зараз, навіть важко передбачити всі можливості, які будуть реалізовані в найближчі кілька десятків років.
Біоетичні аспекти генної інженерії
Відповідно до рекомендацій Європейського комітету з генної інженерії (1984р.) всі дослідження, що проводяться за рекомбінації ДНК повинні бути в обов'язковому порядку доведені до відома експертної комісії з генної інженерії тих країн, на території яких вони проводяться.
Це необхідно для того, щоб будь-яку роботу, що загрожує небезпекою людині або середовищі проживання, можна було вчасно зупинити або змінити.
Більшість робіт, пов'язаних з клонуванням людського матеріалу, на думку більшості експертів, має бути заборонено, як і роботи з вирощування химер і гібридів з допомогою комбінацій генетичного матеріалу, отриманого від людини і тварин.
Такі роботи повинні розцінюватися як злочин.
Пересадка генів з терапевтичною метою дозволений тільки для соматичних клітин. Генна пересадка зародкових кліток для інших цілей, окрім терапевтичних, повинна бути, безумовно, заборонена.
Застосування статевих клітин для генного лікування буде можливо тільки після отримання достовірних доказів переваги і безпеки такого лікування у порівнянні з генною терапією соматичних клітин.
Висновок
На закінчення хочу сказати, що широке використання мікроорганізмів не може не породжувати нових взаємин з живою природою, що цілком природно веде до бажання осмислити самі ці взаємини і співвіднести їх зі сформованими уявленнями, з одного боку, про роль живої природи в життєдіяльності людини, а з інший - про роль людини в біотичному круговерті біосфери.
Наявний поки не дуже багатий досвід розвитку біотехнології все-таки, містить у собі багато незвичного і разом з тим багатообіцяючого для можливої оптимізації людської життєдіяльності.
А гостро постала перед Homo sapiens проблема самозбереження змушує його до гарячковим пошукам можливих варіантів стратегії своєї життєдіяльності. Цьому залученню природи, причому саме світу мікроорганізмів, і поклала початок нова біотехнологія.
Можна, мабуть, сказати, що біотехнологія в сукупності з іншими науковими напрямками відкриває нову еру взаємодії людини з навколишнім середовищем і, особливо, з живою речовиною біосфери.
«З'явившись прямим результатом наукових розробок, біотехнологія виявляється безпосереднім єднанням науки і виробництва, ще однією сходинкою до єдності пізнання та действования, ще одним кроком, який наближає людини до подолання зовнішньої і до осягнення внутрішньої доцільності».
І все-таки вона є тільки невеликим кроком. Оскільки, як зауважив Б. Шоу, наука завжди помиляється. Вона ніколи не дозволяє якоїсь проблеми, не створивши ще десять нових.
Біотехнологія сама виявляється всього лише великої індустрією, з'єднанням технічних і біологічних елементів і, природно, успадковує негативні властивості вже існуючого індустріально-промислового комплексу.
Їх дійсне подолання і вирішення проблеми людини передбачають вихід людства на нові, більш досконалі щаблі соціально-культурного розвитку, заснованого на нових способах пізнання і действования.
Тому досить істотне значення набуває проблема вибору стратегії взаємодії людини і природи: чи це самовпевнене управління природою або ж свідоме і цілеспрямоване пристосування всієї життєдіяльності діяльності, до існуючого біотичному кругообігу біосфери.
У результаті інтенсивного розвитку методів генетичної інженерії отримані клони безлічі генів рибосомальної, транспортної та 5S РНК, гістонів, глобіну миші, кролика, людини, колагену, овальбуміна, інсуліну людини та ін пептидних гормонів, інтерферону людини та інше.
Це дозволило створювати штами бактерій, які виробляють багато біологічно активні речовини, використовувані в медицині, сільському господарстві та мікробіологічної промисловості.
На основі генетичної інженерії виникла галузь фармацевтичної промисловості, названа «індустрією ДНК». Це одна із сучасних гілок біотехнології.
Для лікувального застосування допущений інсулін людини (хумулін), отриманий за допомогою рекДНК. Крім того, на основі численних мутантів по окремих генів, одержуваних при їх вивченні, створені високоефективні тест-системи для виявлення генетичної активності факторів середовища, в тому числі для виявлення канцерогенних сполук.
Використана література:
1) Бекіш О.-Я.Л. Медична біологія. - Мн.: Ураджай, 2000. - С.114-119.
2) Мутовін Г.Р. Основи клінічної генетики. - М.: Вища школа, 1997. - С. 83-84.
3) Заєць Р.С. Основи медичної генетики. - Мн.: Вища школа, 1998. - С. 60-65.
4) biotechnolog.ru
Важливим і перспективним напрямком біотехнології є розробка способів одержання екологічно чистої енергії.
Отримання біогазу і етанолу були розглянуті вище, але є і принципово нові експериментальні підходи в цьому напрямку.
Одним з них є отримання фотоводорода:
«Якщо з хлоропластів виділити мембрани, що містять фотосистему 2, то на світлі відбувається фотоліз води - розкладання її на кисень і водень. Моделювання процесів фотосинтезу, що відбуваються в хлоропластах, дозволило б запасати енергію Сонця у коштовному паливі - водні ».
Переваги такого способу отримання енергії очевидні:
· Наявність надлишку субстрату, води;
· Нелімітіруемий джерело енергії - Сонце;
· Продукт (водень) можна зберігати, не забруднюючи атмосферу;
· Водень має високу теплотворну здатність (29 ккал / г) в порівнянні з вуглеводнями (3.5 ккал / г);
· Процес йде при нормальній температурі без утворення токсичних проміжних продуктів;
· Процес циклічний, тому що при споживанні водню регенерується субстрат - вода.
Генетична інженерія
Історія генетичної інженерії
Генна інженерія з'явилася завдяки роботам багатьох дослідників у 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 та експресію відповідних генів.
У 70-х роках було відкрито ряд ферментів, що каталізують реакції перетворення ДНК. Особлива роль у розвитку методів генної інженерії належить рестріктаза 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 їхньої стабільності і життєздатності.
Третій етап - початок робіт по включенню у векторні молекули ДНК (ДНК, 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 рекомбіновану ДНК, містила фрагменти ДНК вірусу SV40, бактеріофага і E. coli.
Генетична інженерія
Одним з розділів молекулярної генетики та молекулярної біології, який знайшов найбільше практичне застосування, є генна інженерія.
Генна інженерія - це сума методів, що дозволяють переносити гени з одного організму в інший, або - це технологія спрямованого конструювання нових біологічних об'єктів.
Народився на початку 70-х років, вона домоглася сьогодні великих успіхів. Методи генної інженерії перетворять клітини бактерій, дріжджів і ссавців у «фабрики» для масштабного виробництва будь-якого білка.
Це дає можливість детально аналізувати структуру і функції білків і використовувати їх в якості лікарських засобів.
В даний час кишкова паличка (E. coli) стала постачальником таких важливих гормонів як інсулін і соматотропін.
Раніше інсулін отримували з клітин підшлункової залози тварин, тому вартість його була дуже висока. Для отримання 100г кристалічного інсуліну потрібно 800-1000кг підшлункової залози, а один заліза корови важить 200-250грамм. Це робило інсулін дорогим і важкодоступним для широкого кола діабетиків.
Інсулін складається з двох поліпептидних ланцюгів А і В довжиною 20 і 30 амінокислот. При з'єднанні їх дисульфідними зв'язками утворюється нативний дволанцюжкової інсулін.
Було показано, що він не містить білків E. coli, ендотоксинів та інших домішок, не дає побічних ефектів, як інсулін тварин, а з біологічної активності від нього не відрізняється.
Соматотропін - гормон росту людини, секретується гіпофізом. Недолік цього гормону призводить до гіпофізарної карликовості. Якщо вводити соматотропін в дозах 10 мг на
Раніше його отримували з трупного матеріалу, з одного трупа: 4 - 6 мг соматотропіну в перерахунку на кінцевий фармацевтичний препарат. Таким чином, доступні кількості гормону були обмежені, крім того, гормон, що отримується цим способом, був неоднорідний і міг містити повільно розвиваються віруси.
Компанія "Genentec" в 1980 році розробила технологію виробництва соматотропіну за допомогою бактерій, який був позбавлений перерахованих недоліків. У 1982 році гормон росту людини був отриманий в культурі E. coli і тварин клітин в інституті Пастера у Франції, а з 1984 року розпочато промислове виробництво інсуліну і в СРСР.
Цілі і методи генетичної 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 засновано отримання високоспецифічних ДНК-зондів, за допомогою яких вивчають експресію генів у тканинах, локалізацію генів у хромосомах, виявляють гени, що володіють спорідненими функціями (наприклад, у людини і курки). ДНК-зонди також використовуються в діагностиці різних захворювань.
Технологія рекомбінантних ДНК зробила можливим нетрадиційний підхід «білок-ген», що отримав назву «зворотний генетика». При такому підході з клітини 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, передають мутантний ген нащадками.
Генетична трансформація тварин дозволяє встановити роль окремих генів і їх білкових продуктів як у регуляції активності інших генів, так і при різних патологічних процесах.
Технологія рекомбінантних ДНК використовує наступні методи:
· Специфічне розщеплення ДНК рестріцірующімі нуклеазами, прискорює виділення і маніпуляції з окремими генами;
· Швидке секвенування всіх нуклеотидів очищеному фрагменті ДНК, що дозволяє визначити межі гена і амінокислотну послідовність, кодованих їм;
· Конструювання рекомбінантної 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 рекомбінантної ДНК в клітини або організми.
Ферменти генетичної інженерії
Генетична інженерія - нащадок молекулярної генетики, але своїм народженням зобов'язана успіхам генетичної ензимології та хімії нуклеїнових кислот, так як інструментами молекулярного маніпулювання є ферменти.
Якщо з клітинами і клітинними органелами ми часом можемо працювати мікроманіпуляторів, то ніякі, навіть самі дрібні мікрохірургічні інструменти не допоможуть при роботі з макромолекулами ДНК і РНК.
Тільки ферменти можуть знайти певні послідовності нуклеотидів, «розрізати» там молекулу або, навпаки, «заштопати» дірку в ланцюзі ДНК.
Ці ферменти здавна перебувають у клітці, виконуючи роботи по реплікації (подвоєння) ДНК при діленні клітини, репарації ушкоджень (відновлення цілісності молекули), у процесах зчитування і перенесення генетичної інформації з клітки в клітку або в межах клітини.
Завдання генного інженера - підібрати фермент, який виконав би поставлені завдання, тобто зміг би працювати з певною ділянкою нуклеїнової кислоти.
Слід зазначити, що ферменти, що застосовуються в генній інженерії, позбавлені видової специфічності, тому експериментатор може поєднувати в єдине ціле фрагменти ДНК будь-якого походження в обраній ним послідовності.
Це дозволяє генної інженерії долати встановлені природою видові бар'єри і здійснювати міжвидові схрещування.
Ферменти, що застосовуються при конструюванні рекомбінантних ДНК, можна розділити на кілька груп:
· Ферменти, за допомогою яких отримують фрагменти ДНК (рестриктаз);
· Ферменти, які синтезують ДНК на матриці ДНК (полімерази) або РНК (зворотні транскриптази);
· Ферменти, що з'єднують фрагменти ДНК (лігази);
· Ферменти, що дозволяють здійснити зміну структури решт фрагментів ДНК.
Досягнення генетичної інженерії
За допомогою генетичної інженерії створені лінії тварин, стійких до вірусних захворювань, а також породи тварин з корисними для людини ознаками.
Наприклад, мікроін'єкція рекомбінантної ДНК, яка мала ген соматотропіну бика в зиготу кролика дозволила отримати трансгенні тварина з гіперпродукцією цього гормону. Отримані тварини мали яскраво вираженої акромегалію.
Генна інженерія відкрила шлях для виробництва продуктів білкової природи шляхом введення в клітини мікроорганізмів, штучно синтезованих генів, де вони можуть експресуватися (вбудовуватися) до складу гібридних молекул.
Першою вдалою спробою такого роду стала робота К. Ітакури і Г. Бойєра з співавторами (1977р.) за експресією в Є. coil хімічно синтезованого гена, що кодує гормон ссавців - соматостатин.
Ген соматостатину був отриманий на основі відомостей про первинний будові цього пептидного гормону, який складається всього з 14 амінокислот. Використаний в цій роботі підхід виявився досить перспективним для отримання та багатьох інших пептидних гормонів.
У різних лабораторіях в СРСР і за кордоном були створені штами Е. coli, синтезують у складі гібридних білків гормон росту людини (соматотропін), пептидні гормони - брадикінін і ангіотензин, нейропептид лей-енкефалінів та ін
Ген гормону росту людини довжиною 584 пар основ - найдовший зі штучно синтезованих в даний час. Він був вмонтований в плазміду, реплікується в Є. coli під контролем промотора триптофанового оперону.
Трансформовані отриманої химерною плазмидой клітини Є. coli продукували при індукції промотора близько 3 млн. молекул гормону росту людини в розрахунку на клітину. Цей поліпептид, як було встановлено в експериментах на щурах з віддаленим гіпофізом, за функціями виявився повністю ідентичний гормону росту людини.
В 1976р. Гілберт і Максам в Гарвардському університеті, а також Сенгер розробили найшвидший метод хімічного аналізу ДНК. З'явилася реальна можливість визначати послідовність до 1000 нуклеотидів на тиждень силами одного дослідника.
У 1982-1985рр. стало можливо створити прилад для автоматичного аналізу нуклеїнових кислот (а значить і генів).
Ще один важливий етап - це синтез біополімерів за встановленою структурі. Перші комерційні прилади, що виробляють автоматизований синтез поліпептидів, були розроблені на основі досліджень Мерріфілд у 1963р. Вони використовуються у дослідницьких лабораторіях і у фармацевтичній промисловості.
Метод хімічного синтезу генів забезпечив також можливість отримання штамів бактерій продуцентів інсуліну людини, важливого лікувального препарату для хворих на діабет.
«Ген інсуліну синтезували у вигляді більш сорока в основному шестичленних олігонуклеотидів, які потім об'єднували в єдину структуру з допомогою ДНК-лігази. Отримані дволанцюжкові полінуклеотіди довжиною 271 і 286 пар основ були вбудовані в плазмідні вектори. Туди ж були вбудовані і регуляторні ділянки ДНК, що забезпечують експресію гібридних молекул. Клоновані гени кодували синтез проінсуліну, який шляхом нескладної хімічної обробки можна перетворити на активний інсулін, включає дві поліпептидні ланцюги А і В з 21 і 30 амінокислотних залишків, сполучених між собою сульфгідрильними зв'язками ».
Таким способом отримані і клоновані гени, що кодують глобіну людини, тварин і птахів, білок кришталика ока бика, яєчний білок, фиброин шовку, що продукується тутового шовкопряда, та ін
Цей же принцип був застосований для отримання, клонування та експресії генів інтерферону людини в бактеріях. Інтерферон - цінний лікарський препарат, який широко використовується для боротьби з вірусними інфекціями та лікування ряду інших захворювань, включаючи злоякісні пухлини. Інтерферон виробляється в клітинах тварин і людини, але володіє вираженою видовою специфічністю.
Ю. А. Овчинников та В. Г. Дебабов з співробітниками отримали мікроорганізми, ефективно синтезують інтерферони людини. Цим дослідникам вдалося сконструювати рекомбінантні плазміди, які обумовлюють синтез інтерферону людини в Є. coli.
Очищений з клітин бактерій інтерферон за своїми фізико-хімічними та біологічними властивостями виявився близький інтерферону, що знаходиться в крові донорів.
За рахунок введення в векторну плазміду сигнальних послідовностей, що ініціюють синтез і РНК і білка, вдалося отримати бактерії, здатні синтезувати до 5 мг інтерферону в розрахунку на 1 л суспензії бактерій. Це в 5000 разів більше, ніж міститься в 1л крові донорів. Заміна Є. coli на мікроби деяких інших видів дозволяє ще більше збільшити продуктивність такої «фабрики інтерферону».
До відкриттів пов'язаних з досягненнями генної інженерії потрібно додати те, що величезний генетичний «креслення» багатоклітинного істоти прорахований повністю.
Після восьми років роботи багатьох дослідницьких груп вдалося точно визначити 97 мільйонів пар нуклеотидів і їх місцезнаходження в спіралі ДНК, що зберігає повну спадкову інформацію мікроскопічного черв'ячка Сaenorhabditis elegans довжиною близько міліметра.
Хоча це дуже маленький хробак, швидше черв'ячок, з нього без жодного перебільшення починається нова ера в біології. Геном цієї нематоди складається з 97 мільйонів пар нуклеотидів ДНК, округлено 0,1 мільярда пар. Геном людини, відповідно до більшості оцінок, - 3 мільярди нуклеотидних пар. Різниця в 30 разів. Однак саме ця робота, про яку йде мова, остаточно переконала навіть найзатятіших скептиків, що розшифровка будови всього геному людини не тільки можлива, а й досяжна в найближчі роки.
Природно, розшифрувати геном таких гігантських розмірів, як у названої нематоди (97 мільйонів пар нуклеотидів ДНК), неможливо без величезної підготовчої роботи. Її в основному завершили до 1989 року. Перш за все, була побудована фізична карта всього геному нематоди. Фізична карта являє собою невеликі ділянки ДНК відомої структури (маркери), розташовані на певних відстанях один від одного.
І ось з 1990 року почалося саме секвенування. Його темп становив у 1992 році 1 мільйон пар нуклеотидів в рік. Якщо б такий темп зберігся, на розшифровку усього генома знадобилося б майже 100 років! Прискорити роботи вдалося найпростішим способом - число дослідників у кожному центрі зросла приблизно до 100. У міру того, як розкривалася нуклеотидна послідовність ДНК C. elegans, довелося розлучитися з двома помилками:
По-перше, виявилося, що генів у неї не 15 тисяч, як припускали спочатку, а 19099.
По-друге, надія на те, що гени зосереджені в середині хромосом, а до кінців сильно рідшають, виправдалася лише частково: гени розподілені уздовж хромосом відносно рівномірно, хоча в центральній частині їх все-таки більше.
У лабораторіях світу повним ходом іде розшифровка геному людини. Ця міжнародна програма була розпочата в 1989 році.
Зараз в різних країнах світу, в лабораторіях, що поділили між собою «фронт робіт» (всього треба прочитати близько трьох мільярдів пар нуклеотидів), щодня розшифровується більше мільйона нуклеотидних пар, причому темп робіт всі прискорюється.
Якщо у дріжджів функція половини генів у геномі невідома (так звані мовчазні гени), то у хробака C. elegans ця частка ще більше: з 19 тисяч генів 12 тисяч залишаються поки загадковими.
Значення секвенування генома нематоди, звичайно, виходить далеко за рамки того, що можна назвати полігоном для розшифровки генома людини. C. elegans - перший багатоклітинний організм, геном якого розкрито практично повністю.
Можна нагадати: кілька років тому був розшифрований перший геном еукаріотичного організму - дріжджів, тобто організму, клітини якого містять оформлені ядра.
Інакше кажучи, за два роки був пройдений шлях від генома одноклітинного до геному багатоклітинного організму.
Програма «Геном людини», як уже говорилося, - програма загальнолюдська. Кожна лабораторія, в якій би країні вона не знаходилася, вносить до неї посильний внесок. І як тільки комусь вдається розкрити структуру нового гена, ця інформація негайно надходить в Міжнародний банк даних, доступний кожному досліднику.
Зараз, навіть важко передбачити всі можливості, які будуть реалізовані в найближчі кілька десятків років.
Біоетичні аспекти генної інженерії
Відповідно до рекомендацій Європейського комітету з генної інженерії (1984р.) всі дослідження, що проводяться за рекомбінації ДНК повинні бути в обов'язковому порядку доведені до відома експертної комісії з генної інженерії тих країн, на території яких вони проводяться.
Це необхідно для того, щоб будь-яку роботу, що загрожує небезпекою людині або середовищі проживання, можна було вчасно зупинити або змінити.
Більшість робіт, пов'язаних з клонуванням людського матеріалу, на думку більшості експертів, має бути заборонено, як і роботи з вирощування химер і гібридів з допомогою комбінацій генетичного матеріалу, отриманого від людини і тварин.
Такі роботи повинні розцінюватися як злочин.
Пересадка генів з терапевтичною метою дозволений тільки для соматичних клітин. Генна пересадка зародкових кліток для інших цілей, окрім терапевтичних, повинна бути, безумовно, заборонена.
Застосування статевих клітин для генного лікування буде можливо тільки після отримання достовірних доказів переваги і безпеки такого лікування у порівнянні з генною терапією соматичних клітин.
Висновок
На закінчення хочу сказати, що широке використання мікроорганізмів не може не породжувати нових взаємин з живою природою, що цілком природно веде до бажання осмислити самі ці взаємини і співвіднести їх зі сформованими уявленнями, з одного боку, про роль живої природи в життєдіяльності людини, а з інший - про роль людини в біотичному круговерті біосфери.
Наявний поки не дуже багатий досвід розвитку біотехнології все-таки, містить у собі багато незвичного і разом з тим багатообіцяючого для можливої оптимізації людської життєдіяльності.
А гостро постала перед Homo sapiens проблема самозбереження змушує його до гарячковим пошукам можливих варіантів стратегії своєї життєдіяльності. Цьому залученню природи, причому саме світу мікроорганізмів, і поклала початок нова біотехнологія.
Можна, мабуть, сказати, що біотехнологія в сукупності з іншими науковими напрямками відкриває нову еру взаємодії людини з навколишнім середовищем і, особливо, з живою речовиною біосфери.
«З'явившись прямим результатом наукових розробок, біотехнологія виявляється безпосереднім єднанням науки і виробництва, ще однією сходинкою до єдності пізнання та действования, ще одним кроком, який наближає людини до подолання зовнішньої і до осягнення внутрішньої доцільності».
І все-таки вона є тільки невеликим кроком. Оскільки, як зауважив Б. Шоу, наука завжди помиляється. Вона ніколи не дозволяє якоїсь проблеми, не створивши ще десять нових.
Біотехнологія сама виявляється всього лише великої індустрією, з'єднанням технічних і біологічних елементів і, природно, успадковує негативні властивості вже існуючого індустріально-промислового комплексу.
Їх дійсне подолання і вирішення проблеми людини передбачають вихід людства на нові, більш досконалі щаблі соціально-культурного розвитку, заснованого на нових способах пізнання і действования.
Тому досить істотне значення набуває проблема вибору стратегії взаємодії людини і природи: чи це самовпевнене управління природою або ж свідоме і цілеспрямоване пристосування всієї життєдіяльності діяльності, до існуючого біотичному кругообігу біосфери.
У результаті інтенсивного розвитку методів генетичної інженерії отримані клони безлічі генів рибосомальної, транспортної та 5S РНК, гістонів, глобіну миші, кролика, людини, колагену, овальбуміна, інсуліну людини та ін пептидних гормонів, інтерферону людини та інше.
Це дозволило створювати штами бактерій, які виробляють багато біологічно активні речовини, використовувані в медицині, сільському господарстві та мікробіологічної промисловості.
На основі генетичної інженерії виникла галузь фармацевтичної промисловості, названа «індустрією ДНК». Це одна із сучасних гілок біотехнології.
Для лікувального застосування допущений інсулін людини (хумулін), отриманий за допомогою рекДНК. Крім того, на основі численних мутантів по окремих генів, одержуваних при їх вивченні, створені високоефективні тест-системи для виявлення генетичної активності факторів середовища, в тому числі для виявлення канцерогенних сполук.
Використана література:
1) Бекіш О.-Я.Л. Медична біологія. - Мн.: Ураджай, 2000. - С.114-119.
2) Мутовін Г.Р. Основи клінічної генетики. - М.: Вища школа, 1997. - С. 83-84.
3) Заєць Р.С. Основи медичної генетики. - Мн.: Вища школа, 1998. - С. 60-65.
4) biotechnolog.ru