Біотехнологія

10

Реферат

Біотехнологія

От як пояснює дуже популярне слово «технологія» «Словник іноземних слів»: «Технологія (від грецького fechne - мистецтво, ремесло, наука -( logos - поняття, навчання) -- сукупність знань про способи і засоби проведення виробничих процесів...»

Біотехнологія -- багатогалузева наука. Але, мабуть, найбільш почесне місце в ній займає, крім генної інженерії, наука про штучне культивування ізольованих кліток і тканин.

Відірвана від колективу собі подібних клітка в пробірці зберігає «пам'ять» - генетичну інформацію, закладену батьками. Але спеціальність (спеціалізацію) вона втрачає й утворить при розподілі щось аморфне, що нагадує за формою морську губку -- каллус. Це тканина, що виникає не тільки в пробірці, але й у природних умовах при пораненні рослини. Крім утрати вузької спеціалізації клітка часом починає поводитися, немов пацієнт божевільного будинку. Наприклад, активні гени раптом застопорюються, а «сонні» ні з того ні із сього починають інтенсивно працювати. Клітка в «клітці», тобто в пробірці, може різко змінити співвідношення ферментних і структурних білків. У ній збільшується число молекул РНК, що синтезують у достатку ті білки, до виробництва яких клітка раніше відносилась пасивно.

Однак варто надати визначені умови, як вона знову здобуває якусь спеціалізацію, причому не обов'язково «стару»: узята з кореня або листа клітка утворить цілу рослину. Регенерації повноцінних рослин з каллуса домагаються в принципі двома шляхами: диференціацією втеч і коренів за допомогою зміни співвідношення гормонів. Цей соматичний ембріогенез уперше був простежений до 1959 року в моркви; згодом його почали застосовувати при виробництві життєздатних рослин у різних видів.

В лабораторіях знайшли здатність ізольованих кліток деяких видів рослин загартовуватися. Так, якщо клітки без загартування ледве переносять температуру --20° С, то з загартуванням здатні витримати і --35° С, а клітки сибірської яблуні з загартуванням терплять мороз нижче 50° С. От тільки клітки теплолюбного лимона ніяким загартуванням не піддаються. З'явилася можливість добору кліток з великою морозостійкістю з каллуса пшениці.

Ізольовані клітки зберігають здатність синтезувати речовини, властиві їй, тобто в тілі живого організму, -- вітаміни, гормони, алкалоїди і так далі. Це зацікавило біологів з погляду утилізації цих речовин для промисловості.

У лабораторіях виявлена ще одна здатність кліток: відокрем одну від інших або посади її на живильне віддалік середовище від родичів, і вона навідріз відмовиться поділятися і розмножуватися. Експериментатори, природно, припускають, що «телепатія» кліток має хімічну природу. Прямо не речовина, а примара - дуже вже мала її концентрація. Київському соратникові Р. Г. Бутенко -- Ю. Ю. Глібі все-таки удалося змусити клітку, «страждаючу» від самітності, поділятися в дрібній крапельці живильного . середовища

Чим довше займалася лабораторія Р. Г. Бутенко культурою кліток, тим більше цікавих явищ відкривалося перед її співробітниками. Ну хоча б те, що клітки каллуса, що мають єдиного предка -- одну прапрапра... (і так далі) клітку, виявляються через кілька поколінь генетично різними. Може, вивчивши це явище, ми прийдемо до висновку, що предком мавпи і людини був прозаїчний кільчастий хробак.

Зміни, що спостерігаються в ізольованій культурі, можуть виникати внаслідок мутацій специфічних генів і хромосомних перебудов. Частота, тип і стабільність мінливості залежать від генотипу вихідної рослини і фізіолого-біохімічного стану («настрою») клітки. Висловлено припущення, що умови ізольованої культури приводять до глибокої клітинної дестабілізації. Широкий спектр варіантів, що утворяться з культивованого матеріалу, є відображенням дестабілізації, за якої випливають дія добору і вторинні спадкоємні зміни в популяції кліток.

Мінливість, що спостерігається, має велике значення при застосуванні культури кліток і тканин для поліпшення сільськогосподарських культур.

Вплив мутагенами - речовинами або радіацією, що викликають спадкоємні зміни, збільшує частоту змінених кліток, а використання селективних умов (наприклад, підвищеного інфекційного тла) створює передумови для розмноження тільки змінених у потрібному людині напрямку кліток. Однак багато дослідників відмовляються від використання мутагенів, щоб уникнути додаткових небажаних мутацій. Тим більше, що мутантних клітинних ліній виникає цілком достатньо і без їхнього втручання.

У клітках каллуса часто міняється і число хромосом. У США отримані поліплоїдні форми тютюну з кліток каллусу, які культивуються поза організмом. Вихід поліплоїдних форм виявився настільки значним, що цей метод рекомендований для експериментального одержання поліплоїдів. Такі ж результати отримані в лимона і конюшини повзучої.

Регенеровані з каллуса рослини часто відрізняються від своїх батьків числом хромосом. Генетично ідентичне відтворення генотипів через диференціацію в культурі каллуса в даний час можна здійснити в порівнянні деяких видів.

Для селекції генетична мінливість кліток каллуса може представити визначений інтерес. На основі регенерації в культурі тканин і органів рослин отримані високопродуктивні форми соняшника. На жаль, у таких найважливіших сільськогосподарських культур, як зернові і бобові, активувати морфогенез на живильних середовищах удається рідко, але є успіхи при роботі і з цими «непокірними» культурами.

На живильних середовищах при високій інтенсивності освітлення нині вирощують рослини-гаплоїди з пилкових зерен. У них удвічі менше хромосом, ніж у звичайних соматичних клітках стебел, листя і кореня батьківської рослини. З них при подвоєнні хромосом шляхом обробки колхіцином або закисом азоту під тиском (є й інші шляхи подвоєння) одержують дигаплоїди (або, допустимо, тетрагаплоїди, якщо основний набір збільшений вчетверо). Вони гомозиготні, тобто забезпечують прояв властивих їм ознак стійко протягом багатьох поколінь. У них, як говорять генетики, не зникають нові ознаки, якщо, звичайно, не з'являються мутації - раптові нові спадкоємні ознаки. Гомозиготні лінії нерідко використовують у селекції на гетерозис - достовірне підвищення продуктивності, якості або іншого показника проти батьківських форм, задіяних у гібридизацію.

Використовують гаплоїди й інакше. У Китаї за допомогою культури пильовиків виведені короткостеблові, скоростиглі і високоврожайні сорти рису. Застосування в цій країні живильних середовищ, що включають картопляний екстракт, привело до раніше недосяжного -- одержання гаплоїдів у жита, що відкрило нові можливості в селекції цієї культури. Отримані цікаві результати в ячменю, перцю, маку, люцерни, винограду, тополі, яблуні й олійному рапсі. В останньої культури, проведеної через культуру пильовиків, трохи зменшили і сподіваються зменшити ще більше зміст шкідливих гликозидних з'єднань. Усього в Китаї до 1984 року з пилкових зерен вирощено близько 40 видів рослин. Вивчення популяцій пшениці, рису, кукурудзи і тютюну з пильовиків показало, що близько 90 відсотків подвоєних гаплоїдів є генетично однорідними, хоча в 10 відсотків усе-таки відзначена нестабільність числа хромосом і їхньої структури. У нашій країні ефективний спосіб одержання пшениці з пилка в культурі пильовиків розроблений саратовськими вченими В. М. Сухановим, В. С. Тирновим і Н. Н. Салтиковой.

Саме цікаве, що іноді і гібридизацію вдається провести в чашках Петри, пробірках, взагалі в яких-небудь судинах, у яких поміщають ізольовану від рослини насінину. На неї наносять пилок, переборюючи в такий спосіб самонесумісність -- відмовлення рослини дати насіння, якщо його намагаються запліднити власним пилком.

У пробірці трапляється часом перебороти несумісність досить віддалених видів, і навіть потомства рослин. Однак буває і так, що схрестити рослини, що відносяться до двох різних видів або родівв дається, але отримане від гібридизації насіння не бажають проростати -- позначається несумісність, допустимо, зародка з ендоспермом. Це звичайне явище при схрещуванні пшениці і жита (є, однак, і інші фактори, що перешкоджають проростанню). У таких випадках з успіхом прибігають до відділення зародка від ендосперму на ранніх етапах розвитку зернівки і приміщенню зародка на штучне живильне середовище, яке складається з багатьох компонентів.

При вирощуванні молодих ембріонів домоглися зав'язування життєдіяльних насінин у міжродових гібридів - ячмінь X жито; томат культурний X томат перуанський, чина пурпурна X чина члениста, буркун жовтий X буркун білий, квасоля звичайна X квасоля гостролиста.

М.Ф.Терновський зі співробітниками одержав міжвидовий гібрид тютюну з новими властивостями стійкості завдяки культурі на штучному живильному середовищі з нездатних до проростання гібридних насінь. Таким же шляхом отримані нормальні гібриди першого покоління від схрещування диплоїдних і тетраплоїдних форм райграсу.

І нарешті, ще одне важливе позитивне використання живильних середовищ. У пробірці вдається злити воєдино соматичні клітки різних видів. Для цього, щоправда, їх доводиться безсоромно «роздягати» -- звільняти від оболонки за допомогою спеціальних ферментів. Після цієї процедури ми маємо справу вже не з кліткою, а з протопластом. Протопласти двох видів кидають в один протопласт - гетерокаріот, що через якийсь час обзаводиться новою «одежинкою». Так удається поєднувати навіть тваринні клітки з рослинними, наприклад клітку тютюну з оголеною кліткою дрозофіли. Треба сказати, що такі клітки, хоча і намагаються поділятися, але даром. До розподілу здатні поки лише злиті клітки видів у межах одного роду, зрідка - різних пологів і сімейств. Але як знати! Згодом буде переборена і ця несумісність, і селекціонери одержать гібриди, що їм і в сні не снилися.

До теперішнього часу вдалося сполучити протопласти й одержати соматичні гібриди картоплі і томату, щоправда, з мізерним врожаєм плодів і бульб. А от соматична гібридизація стійких до хвороб і шкідників диких диплоїдних видів картоплі (2х) з культурними диплоїдними (2х) може представити практичний інтерес: 2х + 2х = 4х - це найоптимальний рівень плоїдності в картоплі.

Несподівані результати канадця К. Н. Као, що одержав гетерокаріотичні (зі сполученими ядрами) клітки з протопластів, що злилися з сої і тютюну сизого (тютюнового дерева), здатні до делепію, і лінії кліток сої і тютюну із синхронним розподілом хромосом.

При використанні культури кліток і тканин удається швидко розмножити новий сорт, якщо культуру у виробництві розмножують вегетативно, або лінію для виробництва гібридних насінь в овочевих, декоративних і інших оброблюваних рослин. Найчастіше розмножують (клонують) верхівки втеч (таке розмноження не зовсім точно називають культурою меристеми - адже, крім останньої, у процес включаються й інші елементи) і латеральну (бічну) меристему - освітню, що інтенсивно поділяє тканину. Зростає використання культур тканин для клонування суцвіть, квіток, бічних бруньок, листів і коренів, культури каллуса і в окремих випадках культури кліток. У спаржі для розмноження найбільш придатні верхівки втеч, у пасльонових і червонокачанної капусти - шматочки листка, у кольорової капусти і нарциса - часточки суцвіть.

Найбільш економічно вигідне розмноження в культурі тканин селекційних сортів квітів: орхідей, агав, бегоній, хризантем, цикламена, драцени, іриса, лілій, нарциса, флокса й інших.

Новою областю застосування клонування в стерильному середовищі верхівок втеч і інших експлантів стало розмноження порід чагарників, плодових культур і ананаса.

З каллуса від зубчиків часнику одержали безвірусні рослини. Економічно виправдане розмноження методом стерильної культури гетерозисных гібридних насінь овочевих і декоративних культур.

Культура тканин рослин, головним чином верхівок втеч (меристем), грає дуже важливу роль у звільненні насіневого метеріалу від вірусів. Квіткарі першими виявили, що рослини, вирощені не з бульб або цибулин, а з кліток, які поділяються, поміщених у живильне середовище вірусними хворобами, як правило, не уражені і дають здорове вегетативне потомство бульб і цибулин. Цей прийом узяли на озброєння і фермери.

Одержання вільних або, вірніше, майже вільних від вірусів рослин - звичайний прийом первинного насінництва деяких сільськогосподарських культур: картоплі, конюшини, люцерни і хмелю, овочевих (хрону, ревеню, печериці, кольорової капусти), плодових культур (малини, червоної і чорної смородини, яблуні, сливи), а також декоративних рослин (хризантеми, гвоздики, пеларгонії, гортензії, нарциса, лілії, гіацинта, іриса, тюльпана, гладіолуса) Деяких фізіологів задовго до того, як вони усвідомили себе в ролі біотехнологів, зацікавили біорегуляторирослин і раніше всього стимулятори росту.

На початку другої світової війни був відкритий ауксин. Спочатку його одержували з верхівки колеоптиля (безбарвного чохла, що захищає перший молодий лист) кукурудзи. Але це була воістину каторжна праця: за 10 днів вісім лаборанток німецького біохіміка-фанатика Ф.Кегля переробили 100 тисяч проростків і одержали в результаті кількість активної речовини, достатню лише для встановлення кислої природи ауксину. Для того щоб таким шляхом добути з колеоптилій кукурудзи 250 міліграмів ауксину, лаборанткам довелося б пропрацювати, не перериваючи на сон і їду, принаймні 400 років.

На щастя, незабаром було знайдено доступне джерело ауксину. Ним виявилася людська сеча. Як установили допитливі хіміки, у середньому кожен житель планети щодня може давати для нестатків біохімії, фізіології і сільського господарства приблизно 1--2 миліграма ауксину.

За назвою ауксин об'єднаний у цілий ряд речовин - регуляторів росту. Найважливіше з них одержало найменування гетероауксина.

ІУК ефективно використовують для прискорення утворення коренів у черешків плодово-ягідних і інших рослин. В даний час синтезований цілий ряд ауксинів, серед яких особливо великою активністю володіє бета-нафтил-оцтова кислота .

У Японії ніколи примітили цікаве захворювання молодих рослин рису, викликане грибом Gibbcrclla fujukuroi. Поряд із загибеллю рослин у деяких екземплярів, що залишилися живими, можна було спостерігати енергійний ріст стебел і листів. Як з'ясувалося, прискорення росту викликається з'єднаннями, що є продуктами обміну речовин гриба. Ці речовини, виділені в чистому виді одержали назву гіберелинів. Гіберелини здатні стимулювати не тільки ріст, але і цвітіння. Їх застосовують в основному для прискорення проростання ячменю при виготовленні солоду і для підвищення врожайності винограду.

Пізніше був відкритий ряд з'єднань, що роблять сильну стимулюючу дію на розподіл рослинних кліток - цитокінонів. З них найбільш активний кінетин.

Для виявлення ефекту дії ростових речовин необхідні разюче малі їхні концентрації. Одного грама гетероауксину, наприклад, досить для 10(у13 ступені) рослин. Щоб розсадити ці рослини, надавши кожному площа харчування в квадратний сантиметр, потрібна була б рілля площею більш 900 квадратних кілометрів. Щоб розлучити грам гетероауксину до недіяльної концентрації, необхідно 200 мільярдів літрів, для доставки яких треба було б 400 тисяч поїздів.

Активність ростових речовин рослин на одиницю маси по активності не поступається активності тваринних гормонів. Так, активність ауксину для вівса переверщує активність естрону для мишей у 10 разів, тороксину для людини - у 100 і андростерону для каплунів -- у 1000 разів.

До активних речовин, що грають істотну роль у культурі тканин, належать і вітаміни. Так, тіамін бере участь у процесі росту коренів. Багаторазові пасажі (посіви кліток) кінчиків коренів без нього неможливі. Для росту коренів, крім живильних речовин і тіаміну, необхідні й інші вітаміни. Наприклад, горох і редис бідують ще в нікотиновій кислоті,

на томати сприятливо діє вітамін B6 (ще краще з нікотиновою кислотою). А от льон може обійтися одним тіаміном.

У зернах злаків тіамін знаходиться в алейроновому шарі і, отже, не може бути присутнім у полірованому рисі. Тому переважне вживання його в їжу населенням Східної Азії приводило до спалахів бери-бери.

При автоклонуванні (автоклави - герметичні апарати для виконання робіт при підвищеній температурі і тиску для стерилізації) тіамін розщеплюється на піримидин і тіазол. Для росту коренів томата, виявляється, досить одного тіазолу, а для деяких фітопатогенних грибів - тільки пиримидина (при необхідності організм сам синтезує другий компонент тіаміну). Можливо, це має якесь значення при симбіозі (наприклад, у лишайників), а також паразитизмі.

Аскорбінова кислота (вітамін С) важлива для росту втеч. Введення аскорбінової кислоти прискорює укорінення черешків і стимулює проростання пилку. Припускають, що вона має відношення до обміну ростових речовин у рослин.

Дія аскорбінової кислоти заснована на її окисно-відновних властивостях: в окисній формі аскорбінова кислота перетворюється в речовину, що гальмує ріст.

У нікотиновій кислоті бідують корені деяких рослин. Вона зустрічається постійно у вищих і нижчих рослин. Передбачається, що нікотинова кислота - універсальна активна речовина.

Піридоксин підсилює ріст коренів, наприклад, у томатів і моркви. Під впливом жіночого статевого гормону ссавців тварин - естрона (фолікулярного гормону) підсилюється вегетативний розвиток рослин. Паста з естроном, нанесена на квіткові бруньки дрімоти, затримує розвиток тичинок і підсилює розвиток зав'язей. А от тестостерон - чоловічий статевий гормон працює прямо протилежно естрону.

У рості листків беруть участь похідні пурину: сечова кислота й аденін. Більш-менш помітним образом реагує живаючи плазма на дію Н+ або ВІН- -іонів. Рух плазми стимулює гістидин.

Біорегулятори використовують і в рослинництві й у тваринництві. У рослинництві вони, до речі, найчастіше допомагають зберегти в культурі старі сорти. Наприклад, винороби Франції не прагнуть до впровадження нових сортів винограду. Французи люблять свої вина, які заслужили за сторіття світову популярність.

Те саме можна сказати і про звичайну картоплю. І в Європі, і в Америці старі «перевірені» часом сорти утримуються у виробництві десятиліттями. Сорт картоплі Рання Роза, виведений у США в 1861 році, дотепер зустрічається якщо не на полях, то в городній культурі на Американському і Європейському континентах. Ще більш старий сорт Гарнет Чилі - прадід більшості американських сортів і ряду європейських; його і донині висаджують біля Сан-Франциско. Столітній ювілей «справив» сорт Айрнш Коблер; напівстолітній вік в американських сортів Катадін і Чиппева.

Знайшли також речовинии, що не тільки око потішають, але й аромат цитрусових підсилюють.

Штучному дозріванню зелених плодів томата допомагає обробка їх регуляторами росту: закордонним препаратом етрел, вітчизняними - гідрелом, дигідрелом або декстрелом (вони рівноцінні по фізіологічній активності). За 7--10 днів збереження при температурі 18--20° С оброблені цими препаратами плоди дозрівають на 90 відсотків. Штучно дозрілі плоди по живильній цінності нітрохи не поступаються природньо дозрілим.

У люцерни виявлений природний регулятор росту триаконтанол - з'єднання спиртової природи, що включає 30 атомів вуглецю. Він концентрується головним чином у кутикулі - надшкір'ю, що покриває поверхня листів. У концентрації 1 мікрограм на літр трнаконтанол підвищує врожай картоплі на 20 відсотків. Обробка ним насінь овочевих культур підсилює ріст рослин і підвищує врожайність на 17--25 відсотків. Думають, що триаконтанол активує деякі ферменти або впливає на мембрани, інтенсифікуючи процеси метаболізму - обміну речовин.

На початку 20-х років медики виявили, що якщо пацюкам вводити екстракти з гіпофіза - мозкового придатка, то вони починають рости помітно краще і досягають розмірів добре відгодованого кота. Діючою речовиною виявився вироблений гіпофізом гормон росту, що одержав назву соматотропіна, або соматотропного гормону (СТГ). При надлишку цього гормону в організмі виростають великі тварини - гіганти в межах своєї популяції; недолік обумовлює карликовий ріст і всілякі каліцтва - непропорційне збільшення окремих частин тіла.

Наприкінці 60-х років біохіміки-медики виділили соматотропін у чистому виді, вивчили його склад і структуру. З'ясувалося, що це білок, що складається з 191 амінокислотного залишку. Але вчених чекало розчарування. Хоча соматотропіни тварин і були близькі до людських по своїй структурі, але, як виявилося, мали трохи інший амінокислотний склад, іншу послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюзі і навіть інші розміри молекул. Крім того, на відміну від інших гормонів вони мали видову специфічність - гормон тварини не діяв на людину. Узагалі ж соматотропні гормони цілком задовольнили би тваринників, якби не одні труднощі: одержувати їх з такої сировини, як гіпофізи забійних тварин, економічно недоцільно. Нині розробляють прийоми синтезу соматотропних гормонів (СТГ) методами генної інженерії. У лабораторних умовах Інституту біоорганічної хімії імені М. М. Шемякіна й Інституту молекулярної біології синтезовані гормони вже «працюють».

Біохіміків-«тваринників», що включилися в змагання з хіміками від медицини в 40--50-х роках, при перших же, здавалося б. блискучих успіхах (були синтезовані гормони росту тварин - синтетичні естрогени) осадили «підступні» медики, що приписали новим препаратам деякі побічні явища.

Але хіміки-«тваринники» не заспокоїлися. Вони вирішили звернутися до природних естрогенів, таких як естрадіол, естрон, естріол. Останні швидко включаються в обмін і швидко виводяться; крім того, легко руйнуються при варінні і смаженні м'яса. І дія їх досить ефективна: при одноразовому введенні під шкіру (так використовують і інші гормони) 50 міліграмів валеріаната естрадіола середньодобовий приріст маси бичків збільшується на 17--20 відсотків. Похідні андрогенів - анаболические стероїди в тих же умовах при дозі 150--200 міліграмів теж підвищили приріст маси тварин на 15--20 відсотків.

Мікоестраген-зеранол, одержуваний із цвілі кукурудзи, за даними дослідників декількох країн, після одноразового введення забезпечує протягом 120 днів приріст маси бичків на 10 відсотків.