Основы биотехнологии

Содержание

Введение

Глава 1. Биотехнологии, их значение у нас и в мире

1.1 Биотехнологии в России

1.2 Развитие биотехнологий за рубежом

Глава 2. Направления развития биотехнологий

2.1 Клеточная инженерия

2.2 Клонирование

2.3 Генная инженерия

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Биология - это наука, которая в наши дни активно развивается и огромные надежды возлагаются именно на биотехнологии. Сейчас методы биотехнологии внедряются в промышленность, сельское хозяйство и медицину. Генетическая инженерия, клеточная инженерия и конечно клонирование наиболее актуальны в XXI веке. Я выбрала именно эту тему для своей работы так как хочется узнать больше о направлениях современной науки.

Биотехнология, использование живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. Развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т. п. Перспективно промышленное получение других биологически активных веществ (гормональных препаратов, соединений, стимулирующих иммунитет, и т. п.) с помощью методов генетической инженерии и культуры животных и растительных клеток.

Биотехнология (от греч. bios -- жизнь, techne -- искусство, мастерство и logos -- слово, учение), использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Биотехнология -- междисциплинарная область, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук. С развитием биотехнологии связывают решение глобальных проблем человечества -- ликвидацию нехватки продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшение состояния здравоохранения и качества окружающей среды.

Глава 1. Биотехнологии, их значение у нас и в мире

1.1 Биотехнологии в России

Перспективы развития российской экономики - да и страны в целом - лежат в основном в создании высокотехнологичных производств. Огромный потенциал, подкрепленный пока еще сохранившимися в России интеллектуальными возможностями, кроется в развитии биотехнологической отрасли.

Практически все разработки в области биотехнологий так или иначе связаны со здо ровьем человека или окружающей среды. Здоровьем в самом широком смысле слова. Вообще существует достаточно распространенное мнение, что в XXI веке из всех направлений развития человеческих знаний понастоящему будут востребованы только две: биотехнологии и развлечения. Причем юмор в этой точке зрения весьма относительный.

На самом деле, если рассматривать биотехнологии как отрасль знаний, то она действительно представляет собой уникальное сочетание научных исследований, разработок и производства - а также, что немаловажно, большой бизнес. Наверное, это вообще единственная отрасль с такими характеристиками. С другой стороны, биотехнологии представляют собой наиболее актуальное направление с точки зрения обеспечения физической выживаемости человечества в обозримой перспективе.

Ведь экологическая ситуация постоянно ухудшается, и человек просто не успевает к этому приспосабливаться. Поэтому от того, что мы едим, чем дышим, как защищаем растения и животных, напрямую зависит наше будущее как биологического вида. С этой точки зрения определенным противопоставлением для биотехнологии является химия. Она, в принципе, может решать многие схожие задачи в ряде областей.

Но разница в том, что люди инстинктивно испытывают недоверие к продуктам, созданным искусственным путем, с применением химического синтеза. Поэтому вполне обоснованно считается, что применительно к здоровью человека биотехнологические и микробиологические продукты и технологии являются более естественными и менее вредными, чем те, что изготовлены в результате химического синтеза.

Простой пример: защита растений от вредителей или заболеваний. При обработке урожая химическими реагентами последние смываются в почву, где могут находиться (и накапливаться) годами. А защитные вещества, созданные на основе микроорганизмов, фактически прекращают свое существование сразу после завершения «рабочего цикла», при этом не оставляя после себя никаких вредных продуктов распада.

То есть и с экологической, и с потребительской (а значит - и коммерческой) точек зрения такие методы гораздо предпочтительнее.

Несколько лет назад были сделаны открытия, не доведенные до массового или промышленного использования. Возьмем такое направление, как культивирование собственных органов человека. Очевидно, что это будет настоящим прорывом не только в области лечения многих тяжелейших заболеваний, но и реальным шагом в продлении жизни людей. Сегодня при проблемах с тем или иным органом его, грубо говоря, или отрезают, или протезируют. В крайнем случае, если это возможно, заменяют донорским. А представьте, если бы было возможным вырастить из здоровых собственных клеток ту же печень или почку?.. Это же действительно революционная технология, позволяющая улучшить качество жизни человека, продлить его продуктивный возраст и самым положительным образом сказаться на перспективах человечества в целом.

В нашей стране проблемы с ее развитием вызваны недостаточной информированностью общества и бизнеса о возможностях биотехнологий. Интерес общества к этой проблеме пока не пробудился и у общества и государства в целом. Дело ведь тут даже не столько в вопросах финансирования. Это гораздо сложнее, и для этого нужны именно политические инициативы,позиция руководства страны. Если мы считаем, что высокими технологиями надо заниматься, то от слов «надо заниматься» до фактического «занятия» существует определенный путь. И пока его не пройдешь - ничего не изменится. Пока же это настроение только зреет в обществе.

Сегодня жизненно необходимо не просто поднимать вопрос о поддержке биотехнологической промышленности или науки, но ставить конкретные задачи. Скажем, говорить о необходимости через какое-то время добиться решения проблемы создания тех же искусственных органов на основе клеточных технологий. И тогда такая постановка вопроса будет гораздо ближе и понятнее и государственным структурам, и инвесторам, и тем же ученым, которые перестанут думать о «поддержании штанов», а займутся реальным делом.

1.2 Развитие биотехнологий за рубежом

К концу сентября 2003 года мировая индустрия биотехнологий заработала больше денег, чем за весь 2002 год. По информации фирмы Ernst & Young, за первые девять месяцев 2003 года выручка биотехнологических компаний по всему миру составила около 11,9 млрд, превысив 10,5 млрд долларов, полученных в полном 2002 году. Большая часть доходов биотехнологической индустрии приходится на долю Соединенных Штатов. Как сообщили в Ernst & Young, с сентября семь компаний из США превратились из частных в публичные, выпустив акции, что принесло им 500 млн долларов. Этот факт усиливает надежду на сильный скачок на рынке биотехнологий и грядущее оживление в Европе.

Однако в Европе биотехнологические компании до сих пор не выпускали акций, и аналитики считают, что первый листинг состоится не раньше чем через шесть месяцев. За первое полугодие финансирование европейского биотехнологического сектора со стороны венчурного капитала снизилось на половину, так как инвесторы с осторожностью вкладывают деньги в сектор, который произвел мало новых лекарств по сравнению с американским биотехнологическим сектором. Положение американских биотехнологических фирм лучше, так как они образовались в 1970-е, имеют больше выведенных на рынок лекарств и более сильный ассортимент, чем их европейские конкуренты.

Большей части германских биотехнологических фирм приходится отчаянно бороться за финансирование. По подсчетам специалистов, в 2004 году их финансовые потребности составят 400 млн евро (470 млн долларов). Как говорят отраслевые аналитики, венчурный капитал получить нелегко, а инвесторы требуют конкретных результатов. Компании нуждаются в средствах для проведения клинических испытаний и покрытия высоких расходов на исследования. В данном секторе бизнеса нужно потратить очень много денег, прежде чем появятся новые лекарства, которые позволят возместить расходы. Как сообщают в Ernst & Young, 50 компаний находятся в поисках финансирования: пятая часть из них должна вступить в пятый этап финансирования, остальные нуждаются в финансировании первого, второго и третьего этапов. Вряд ли эти компании ждет легкое будущее.

В 2002 году биотехнологические компании Германии, образующие крупнейший европейский фармацевтический рынок, сумели получить около 200 млн евро от венчурного капитала, что меньше 525 млн евро, добытых в 2001 году. Однако многие фирмы получали свои последние деньги в 2000 году и теперь остро нуждаются в финансировании. За последние несколько лет обанкротилось 50 компаний.

В Швейцарии лидером в области биотехнологий является фирма Actelion, в Британии ведущие позиции занимает компания Celltech. В Германии до сих пор нет крупного игрока. Аналитики полагают, что виной всему спад на германском фармацевтическом рынке, который не может оказать серьезной поддержки биотехнологическому сектору. Самым старым германским биотехнологическим фирмам около десяти лет -- по сравнению с 30-летними компаниями в США.

Быстрыми темпами овладевают биотехнологиями страны «третьего мира» - Китай, Индия, Бразилия, Аргентина и др. В частности, китайское правительство выделяет более 100 млн. долл. ежегодно на исследования в области биотехнологии растений - только США тратят больше на эти цели.

В Европе, несмотря на существовавший несколько лет мораторий на ввоз ГМ продукции и другие ограничения, биотехнологическая наука получила приоритетное развитие.

Более 300 миллионов человек на протяжении десяти лет употребляли ГМ продукты, и не было зарегистрировано ни одного случая, чтобы такие продукты нанесли вред здоровью. США являются самым крупным производителем трансгенных продуктов. Более 80% сои, 75% хлопка, 40% кукурузы, производимых в Соединенных Штатах, являются генетически модифицированными. Почти весь масличный рапс, производимый в США и Канаде, является трансгенным. Подсчеты специалистов показали: около 70% переработанных продуктов на полках американских магазинов имеют ингредиенты из ГМ растений. Неудивительно, что цены на продукты питания в США значительно ниже, чем в Европе.

Тем не менее, оценку потенциальной опасности ГМ продукции проводить необходимо. Этим должны заниматься независимые государственные учреждения на основе глубоких научных анализов. В США имеется большой опыт по созданию системы биобезопасности. Регуляторная политика в отношении ГМ продуктов в Америке зиждется на «трех китах»: Агентство по сельскому хозяйству (USDA), Агентство по пищевым продуктам и лекарствам (FDA) и Агентство по защите окружающей среды (EPA). Только в 2004 г. USDA выделило 24 млн. долл. на исследования безопасности биотехнологий.

Глава 2. Направления развития биотехнологий

2.1 Клеточная инженерия

КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, конструирование специальными методами клеток нового типа. Клеточная инженерия включает реконструкцию жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, объединение целых клеток, принадлежавших различным видам (и даже относящихся к разным царствам -- растениям и животным), с образованием клетки, несущей генетический материал обеих клеток, и другие операции. Клеточная инженерия используется для решения теоретических проблем в биотехнологии, для создания новых форм растений, обладающих полезными признаками и одновременно устойчивых к болезням и т. п.

КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, создание клеток нового типа на основе их гибридизации, реконструкции и культивирования. В узком смысле слова под этим термином понимают гибридизацию протопластов или животных клеток, в широком -- различные манипуляции с ними, направленные на решение научных и практических задач. Является одним из основных методов биотехнологии.

Гибридизация соматических клеток - В основе метода лежит слияние клеток, в результате чего образуются гетерокарионы, содержащие ядра обоих родительских типов. Образовавшиеся гетерокарионы дают начало двум одноядерным гибридным клеткам. В 1965 английский ученый Г. Харрис впервые получил гетерокарионы, образованные клетками мыши и человека. Такую искусственную гибридизацию можно осуществлять между соматическими клетками, принадлежащими далеким в систематическом отношении организмам и даже между растительными и животными клетками. Гибридизация соматических клеток животных сыграла важную роль в исследовании механизмов реактивации генома покоющейся клетки и степени фенотипического проявления (экспрессивности) отдельных генов, клеточного деления, в картировании генов в хромосомах человека, в анализе причин злокачественного перерождения клеток. С помощью этого метода созданы гибридомы, используемые для получения моноклональных (однородных) антител.

Первый межвидовой гибрид при слиянии протопластов из клеток разных видов табака был получен в 1972 П. Карлсоном (США). Гибриды, полученные при слиянии протопластов, имеют важные отличия от половых гибридов поскольку несут цитоплазму обоих родителей. Возможно создание цибридов, наследующих ядерные гены одного из родителей наряду с цитоплазматическими генами обоих родителей. Особый интерес представляют цибриды растений, несущие цитоплазматические гены устойчивости к различным патогенам и стрессорным факторам от дикорастущих видов или цитоплазматические гены мужской стерильности. Слияние протопластов используют также для получения гибридов с ценными в хозяйственном отношении свойствами между отдаленными видами, которые плохо или вообще не скрещиваются обычным путем. Удалось, например, «ресинтезировать» рапс, являющийся естественным амфидиплоидом между турнепсом и капустой, получить соматический гибрид картофеля с томатами и т. д. При слиянии протопластов создают и новые клеточные линии-продуценты важных соединений.

Реконструкция клеток - Одним из способов модификации клеток является введение в них индивидуальных генов, т.е. метод генетической инженерии. Встраивание активного гена на место отсутствующего или поврежденного открывает путь для лечения генетических заболеваний человека. Изменять свойства клеток можно, вводя клеточные органеллы (ядра, хлоропласты), изолированные из одних клеток, в протопласты других клеток. Так, одним из путей активизации фотосинтеза растительной клетки может служить введение в нее высокоэффективных хлоропластов. Искусственные ассоциации растительных клеток с микроорганизмами используют для моделирования на клеточном уровне природных симбиотических отношений, играющих важную роль в обеспечении растений азотным питанием в природных экосистемах. Рассматривается возможность придания растениям способности к фиксации молекулярного азота при введении в них целых клеток азотфиксирущих микроорганизмов. Реконструкцию клеток проводят также при слиянии клеточных фрагментов (безъядерных, кариопластов с ядром, микроклеток, содержащих лишь часть генома интактной клетки) друг с другом или с интактными (неповрежденными) клетками. В результате получают клетки с различными свойствами, например, цибриды, либо клетки с ядром и цитоплазмой от разных родителей. Такие конструкции используют для изучения влияния цитоплазмы в регуляции активности ядра.

Улучшение растений и животных на основе клеточных технологий - Выращиваемые на искусственных питательных средах клетки и ткани растений составляют основу разнообразных технологий в сельском хозяйстве. Одни из них направлены на получение идентичных исходной форме растений (оздоровление и клональное микроразмножение на основе меристемных культур, создание искусственных семян, криосохранение генофонда при глубоком замораживании меристем и клеток пыльцы). Другие -- на создание растений, генетически отличных от исходных, путем или облегчения и ускорения традиционного селекционного процесса или создания генетического разнообразия и поиска и отбора генотипов с ценными признаками. В первом случае используют искусственное оплодотворение, культуру незрелых гибридных семяпочек и зародышей, регенерацию растений из тканей летальных гибридов, гаплоидные растения, полученные при культивировании пыльников или микроспор. Во втором -- новые формы растений создаются на основе мутантов, образующихся in vitro, и трансгенных растений. Таким путем получены растения, устойчивые к вирусам и другим патогенам, гербицидам, растения, способные синтезировать токсины, патогенные для насекомых-вредителей, растения с чужеродными генами, контролирующими синтез белков холодоустойчивости и белков с улучшенным аминокислотным составом, растения с измененным балансом фитогормонов и т. д.

Важную роль в животноводстве сыграла разработка методов длительного хранения спермы в замороженном состоянии и искусственного осеменения. Реально же развернулись исследования по клеточной и генной инженерии на млекопитающих только с освоением техники оплодотворения in vitro, обеспечившей получение достаточного количества зародышей на ранних стадиях развития. Генетическое улучшение животных связано с разработкой технологии трансплантации эмбрионов и методов микроманипуляций с ними (получение однояйцевых близнецов, межвидовые пересадки эмбрионов и получение химерных животных, клонирование животных при пересадке ядер эмбриональных клеток в энуклеированные, т. е. с удаленным ядром, яйцеклетки).

В 1996 шотландским ученым из Эдинбурга впервые удалось получить овцу из энуклеированной яйцеклетки, в которую было пересажено ядро соматической клетки (вымени) взрослого животного.

Эта работа открывает широкие перспективы в области клонирования животных и принципиальную возможность клонирования в будущем и человека. В этой же лаборатории было получено еще пять клонированных ягнят, в геном одного из которых был встроен ген белка человека. Клеточная инженерия позволяет конструировать клетки нового типа с помощью мутационного процесса гибридизации и, более того, комбинировать отдельные фрагменты разных клеток, клетки различных видов относящиеся не только к разным родам, семействам, но и царствам. Это облегчает решение многих теоретических проблем и имеет практическое значение.

Клеточная инженерия - широко используется в селекции растений. Выведены гибриды томата и картофеля, яблони и вишни. Регенерированные из таких клеток растения с измененной наследственностью позволяют синтезировать новые формы, сорта, обладающие полезными свойствами и устойчивые к неблагоприятным условиям и болезням. Этот метод и широко используется для «спасения» ценных сортов, пораженных вирусными болезнями. Из их ростков в культуре выделяют несколько верхушечных клеток, еще не пораженных вирусом, и добиваются регенерации из них здоровых растений, сначала в пробирке, а затем пересаживают в почву и размножают.

2.2 Клонирование

Клонирование - “получение идентичных потомков при помощи бесполого размножения” По-другому определение клонирования звучит так “Клонирование - это процесс изготовления генетически идентичных копий отдельной клетки или организма”. То есть эти организмы похожи не только внешне, но и генетический код, заложенный в них, одинаков.

Возможности клонирования открывают новые перспективы для садоводов-огородников, фермеров-животноводов, а также для его медицинского применения. “Одной из главных задач в данной области является создание коров, в молоке которых будет содержаться сыворотка человеческого алгаомина. Эта сыворотка используется для лечения ожогов и иных травм, и мировая потребность в ней составляет от 500 до 600 тон в год”. Это одно направление.

Второе - создание органов животных, которые можно будет использовать для трансплантации человеку. “Во всех странах существует серьезный недостаток донорских органов - почек, сердец, поджелудочных желез, печени. Поэтому идея, что можно создать практически конвейерное производство трансгенетических свиней, по графику поставляющих такие органы для пациентов, специально подготовленных для приема этих органов, вместо того, чтобы отчаянно пытаться найти подходящую ткань у донора-человека - такая идея является волнующей перспективой”.

Путём клонирования можно получать животных с высокой продуктивностью яиц, молока, шерсти или таких животных, которые выделяют нужные человеку ферменты (инсулин, интерферон, химозин). “Человеческие ферменты можно получать и более простым способом: взяв нужную клетку крови человека, клонировать её и вырастить клеточную культуру, которая в лабораторных условиях будет производить нужный фермент. Комбинируя методы генной инженерии с клонированием, можно вывести трансгенные сельскохозяйственные растения, которые смогут сами себя защищать от вредителей или будут устойчивы к определённым болезням.”

Способы клонирования - Как уже говорилось выше, получение идентичных потомков при помощи бесполого размножения называется клонированием. Этот метод возник в результате попыток доказать, что ядра зрелых клеток, которые закончили своё развитие, содержат всю информацию, необходимую для кодирования всех признаков организма, специализация каждой клетки обусловлена включением определённых генов или их выключением, а не утратой некоторых из них. Первый успех был достигнут профессором Корнельского университета Стюардом. Он доказал, что, выращивая отдельные клетки съедобной части моркови в среде, содержащей нужные питательные вещества и гормоны, можно индуцировать процессы клеточного деления, приводящие к образованию новых клеток моркови.

“Первым, кто доказал возможность искусственного получения близнецов, был немецкий эмбриолог Дриш. Разделив клетки двуклеточного зародыша морского ежа, он получил два генетически идентичных организма. Первые успешные опыты по трансплантации ядер клеток тела в яйцеклетку осуществили в 1952 году Бриге и Кинг, проводившие опыты с амебами. А в 1979 году англичанин Виладсен разработал метод получения однояйцевых близнецов из эмбрионов овцы и коровы. Однако развития эмбрионов добиться не удалось” А в 1976 году Дж. Гердон доказал возможность клонирования на лягушках. Однако лишь в 1983 году учёным удалось получить серийные клоны взрослых амфибий

Как же, вопреки строгой закономерности, можно заставить клетку развиваться только с материнским диплоидным набором хромосом? Теоретически решение этой проблемы возможно двумя способами: хирургическим и “терапевтическим”.

Хронологически второй метод изобретён намного раньше. Сто лет назад зоолог Московского университета А. А. Тихомиров открыл, что яйца тутового шелкопряда под воздействием различных химических и физических реакций могут развиваться без оплодотворения. Такое развитие было названо партеногенезом. Но оно рано останавливалось: партеногенетические эмбрионы погибали ещё до вылупления личинок из яиц.

Б.Л. Астауров в 30-е годы в результате длительных исследований подобрал термическое воздействие, которое одновременно блокировало стадию мейоза, то есть превращение диплоидного ядра яйцеклетки в гаплоидный, и активировало неоплодотворённое яйцо к развитию. С ядром, оставшимся диплоидным, развитие заканчивалось вылуплением личинок, повторяющих генотип матери, включая пол.

Клонировать млекопитающих можно, как упоминалось, и другим способом - хирургическим. Он основан на замене гаплоидного ядра яйцеклетки на диплоидное ядро, взятое из клеток эмбрионов. Эти клетки ещё не дифференцированы, то есть не началась закладка органов, поэтому их ядра легко заменяют функцию диплоидного ядра только что оплодотворённой клети. Таким методом в США (1952) У. Р. Бриггс и Т. Дж. Кинг, в Англии Д. Б. Гордон (1960) получили генетические копии лягушки, а в 1997 году шотландец И. Уилмут получает хирургическим путём знаменитую овцу Долли - генетическую копию матери. Для этого из клеток её вымени было взято ядро для пересадки в яйцеклетку другой овцы. Успеху способствовало то, что взамен инъецирования нового ядра применялись воздействия, приводящие к слиянию лишённой ядра яйцеклетки с обычной неполовой клеткой. После этого яйцеклетка с заменённым ядром развивалась как оплодотворённая. Очень важно, что этот метод позволяет взять ядро клонируемой особи в зрелом возрасте, когда уже известны её важные для человека хозяйственные признаки. Но у Долли были не слишком удачные предшественники. Её создатель, Ян Уилмут, произвёл 277 ядерных трансплантаций: получил 277 эмбрионов, из которых только 29 прожили дольше шести дней, и один из которых развился в полноценного ягнёнка, названного Долли.

“Профессор Нейфах и его коллеги из Института биологии развития Российской недавно скопировали каспийского осетра. Технология тут примерно такова. В клетке осетра убивают ядро, на его место вводят два сперматозоида и тепловым ударом заставляют их слиться воедино. Процесс слияния был необходим затем, чтобы удвоить набор хромосом в спермии. Далее уже все определяется умением задействовать сложные внутренние связи и, в конце концов, "выходить" зародыш, создав ему благоприятные условия. Основной аргумент российских биологов - они пытаются спасти каспийского осетра как вид. По размерам искусственные осетры, правда, пока не дотягивают до нормы, но, как утверждают исследователи, это уже технические трудности”

“А ученые из университета штата Висконсин опробовали новую методику клонирования млекопитающих, отличную от той, что применялась учеными из Рослингского института, вырастившими Долли. В качестве основного исходного материала новаторы использовали яйцеклетку коровы. Ее лишали так называемого генетического кода и имплантировали молекулы ДНК других клонируемых животных - свиньи, крысы, овцы или обезьяны. При этом источником наследственного материала служили клетки тканей взрослых особей, взятые, например, из свиного или крысиного уха. После искусственного оплодотворения из коровьей яйцеклетки, получившей новую генетическую информацию, развивался зародыш другого млекопитающего - копия генетического донора. Таким образом, ученым удалось благополучно вырастить в лабораторных условиях эмбрионы свиньи, крысы, овцы, обезьяны да и самой коровы.

Специалисты из Висконсинского университета уверены, что их исследования имеют важное значение для развития генной инженерии и изучения возможностей генетического донорства. Руководители этих работ Нил Ферст, одним из первых в США приступивший к опытам по клонированию коров, и Таня Доминко полагают, что использованная ими методика в будущем сможет помочь сохранению исчезающих и редких видов животных.” Учтя опыт шотландцев, американцы несколько изменили метод клонирования, использовав ядра эмбриональных (зародышевых) фибробластов - клеток, дающих соединительную ткань, взятых из взрослого организма. Таким образом, они резко увеличили эффективность метода, а также облегчили задачу введения “чужого” гена, так как в культуре фибробластов это сделать значительно легче.

Сейчас перед людьми не стоит вопроса: “Клонировать или нет?” Конечно клонировать. Благодаря этому открываются новые возможности. Например, в сельском хозяйстве можно получить высоко продуктивных животных или животных с человеческими генами. А также клонирование органов и тканей - задача номер один в траспланталогии. Стоит другой вопрос: “Разрешить ли клонирование человека?” С одной стороны это возможность бездетных людей иметь своих собственных детей, а с другой - возможность получения новых Наполеонов и Гитлеров, а также получение клонов для последующего использования их в качестве доноров необходимых органов. Вопрос клонирования человека остаётся открытым!!

Клонирование - ключ к вечной молодости.

Немало спекуляций и домыслов появилось в последнее время относительно нового способа "изготовления" людей путем клонирования. Тут и страхи появления нового Гитлера и ему подобных, и рассуждения в духе апокалипсиса о том, что в будущем клоны вытеснят и уничтожат "нормальных людей", и другие тому подобные ужасы.

За всю историю человечество сотворило немало глупостей, но возможный запрет клонирования рискует побить все рекорды. Ибо оно, клонирование, не просто гуманно по своей сути, но способно кардинально решить такие проблемы, как трансплантация органов, возможность иметь детей при самых тяжелых случаях бесплодия и одиноким людям, а также шанс потерявшим ребенка родителям хоть немного смягчить свое горе, воспитывая двойника.

Трансплантация клонируемых органов способна спасти миллионы людей, умирающих по всему свету из-за дефицита органов, который создается, кстати, из-за всевозможных ограничений, навязанных "моралистами": целостность трупа и его неприкосновенность после смерти.

Вторым важным следствием трансплантации клонируемых частей тела может стать пересадка утраченных органов: рук, ног, глаз и т.д. Лишить людей надежды забыть про инвалидность и стать нормальными людьми - разве это не в высшей степени негуманно?

2.3 Генная инженерия

Что такое генетическая инженерия? Генетическая инженерия - это раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых комбинаций генетического материала. Основа прикладной генетической инженерии - теория гена. Созданный генетический материал способен размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные продукты обмена.

Из истории генетической инженерии. Генетическая инженерия возникла в 1972 году, в Станфордском университете, в США. Тогда лаборатория П. Берга получила первую рекомбинатную (гибридную) ДНК или (рекДНК). Она соединяла в себе фрагменты ДНК фага лямбда, кишечной палочки и обезьяньего вируса SV40.

Генная инженерия - направление исследований в молекулярной биологии и генетике, конечной целью которых является получение с помощью лабораторных приемов организмов с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств. В основе генной инженерии лежит обусловленная последними достижениями молекулярной биологии и генетики возможность целенаправленного манипулирования с фрагментами нуклеиновых кислот. К этим достижениям следует отнести установление универсальности генетического кода, то есть факта, что у всех живых организмов включение одних и тех же аминокислот в белковую молекулу кодируются одними и теми же последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК ; успехи генетической энзимологии, предоставившей в распоряжение исследователя набор ферментов, позволяющих получить в изолированном виде отдельные гены или фрагменты нуклеиновой кислоты, осуществлять in vitro синтез фрагментов нуклеиновых кислот, объединить в единое целое полученные фрагменты. Таким образом, изменение наследственных свойств организма с помощью генной инженерии сводится к конструированию из различных фрагментов нового генетического материала, введение этого материала в рецепиентный организм, создания условий для его функционирования и стабильного наследования.

Строение рекомбинатной ДНК - Гибридная ДНК имеет вид кольца. Она содержит ген (или гены) и вектор. Вектор - это фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение гибридной ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы - белков. Большая часть векторов получена на основе фага лямбда, из плазмид, вирусов SV40, полиомы, дрожжей и др. бактерий. Синтез белков происходит клетке-хозяине. Наиболее часто в качестве клетки-хозяина используют кишечную палочку, однако применяют и др. бактерии, дрожжи, животные или растительные клетки. Система вектор-хозяин не может быть произвольной: вектор подгоняется к клетке-хозяину. Выбор вектора зависит от видовой специфичности и целей исследования. Ключевое значение в конструировании гибридной ДНК несут два фермента. Первый - рестриктаза - рассекает молекулу ДНК на фрагменты по строго определенным местам. И второй - ДНК-лигазы - сшивают фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких ферментов создание искусственных генетических структур стало технически выполнимой задачей.

Этапы генного синтеза - Гены, подлежащие клонированию, могут быть получены в составе фрагментов путем механического или рестриктазного дробления тотальной ДНК. Но структурные гены, как правило, приходится либо синтезировать химико-биологическим путем, либо получать в виде ДНК-копии информационных РНК, соответствующих избранному гену. Структурные гены содержат только кодированную запись конечного продукта (белка, РНК), и полностью лишены регуляторных участков. И поэтому не способны функционировать в клетке-хозяине.

При получении рекДНК образуется чаще всего несколько структур, из которых только одна является нужной. Поэтому обязательный этап составляет селекция и молекулярное клонирование рекДНК, введенной путем трансформации в клетку-хозяина. Существует 3 пути селекции рекДНК: генетический, иммунохимический и гибризационный с мечеными ДНК и РНК.

Практические результаты генной инженерии - В результате интенсивного развития методов генетической инженерии получены клоны множества генов рибосомальной, транспортной и 5S РНК, гистонов, глобина мыши, кролика, человека, коллагена, овальбумина, инсулина человека и др. пептидных гормонов, интерферона человека и прочее. Это позволило создавать штаммы бактерий, производящих многие биологически активные вещества, используемые в медицине, сельском хозяйстве и микробиологической промышленности.

На основе генетической инженерии возникла отрасль фармацевтической промышленности, названная “индустрией ДНК”. Это одна из современных ветвей биотехнологии.

Для лечебного применения допущен инсулин человека (хумулин), полученный посредством рек ДНК. Кроме того, на основе многочисленных мутантов по отдельным генам, получаемых при их изучении, созданы высокоэффективные тест-системы для выявления генетической активности факторов среды, в том числе для выявления канцерогенных соединений. Генная инженерия может дать в неограниченном количестве гормоны и другие белки человека, необходимые для лечения генетических болезней (например, инсулин, гормон роста и др.). Усилия генной инженерии направлены на получение бактерий с высокоактивной нитрогеназой, способных в больших количествах связывать и накапливать азот. Еще более интересны попытки биологов включить ген нитрогеназы в растительную клетку. В генной инженерии бактериофаги используются для переноса генетического материала, т. е. В качестве векторов. Задача генной инженерии - активная и целенаправленная перестройка генов живых существ и их конструирование, т.е. управление наследственностью.

Разработаны методы, позволяющие выращивать организмы из отдельных клеток и тканей. Благодаря генетической инженерии и слиянию клеток теперь становится возможным производить биотехнологическим методом в промышленных масштабах синтезируемые живыми организмами в ничтожных количествах. Это как уже говорилось интерферон, гормон роста человека или некоторые антитела. Так ген для гормона роста переносят в бактерию таким образом, чтобы она была способна производить его. Генетика способствует изучению закономерностей развития организма человека и появление его наследственных особенностей в том числе индивидуальных, творческих, физических и интеллектуальных особенностей.

Очевидна роль генетики и в изучении наследственных болезней человека и способов их профилактики, лечения, а так же путем предотвращения вредного воздействия на наследственность физических и химических факторов окружающей среды. Генноинженерные методы наиболее перспективны в сельском хозяйстве, особенно в растениеводстве. Растения очень удобный объект для генных инженеров.

Теоретическое значение генетической инженерии - За короткий срок генная инженерия оказала огромное влияние на развитие молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться по пути познания строения и функционирования генетического аппарата.

Возможности генной инженерии - Значительный прогресс достигнут в практической области создания новых продуктов для медицинской промышленности и лечения болезней человека

В настоящее время фармацевтическая промышленность завоевала лидирующие позиции в мире, что нашло отражение не только в объёмах промышленного производства, но и в финансовых средствах, вкладываемых в эту промышленность (по оценкам экономистов, она вошла в лидирующую группу по объёму купли-продажи акций на рынках ценных бумаг). Важной новинкой стало и то, что фармацевтические компании включили в свою сферу выведение новых сортов сельскохозяйственных растений и животных, и тратят на это десятки миллионов долларов в год, они же мобилизировали выпуск химических веществ для быта. Добавок к продукции строительной индустрии и так далее. Уже не десятки тысяч, а возможно, несколько сот тысяч высококвалифицированных специалистов заняты в исследовательских и промышленных секторах фарминдустрии,и именно в этих областях интерес к геномным и генно-инженерным исследованиям исключительно высок. Очевидно поэтому любой прогресс биотехнологий растений будет зависеть от разработки генетических систем и инструментов, которые позволят более эффективно управлять трансгенами. Для чистого вырезания трансгенного ДНК в растительный геном, всё больше применяют заимствованные из микробной генетики системы гомологичной рекомбинации, такие как системы Cre-lox и Flp-frt. Будущее, очевидно, будет за управляемым переносом генов от сорта к сорту, основанного на применении предварительно подготовленного растительного материала, который уже содержит в нужных хромосомах участки гомологии, необходимого для гомологичного встраивания трангена. Помимо интегративных систем экспрессии, будут опробованы автономно реплицирующиеся векторы.осбый интерес представляют искуственные хромосомы растений, которые теоретически не накладывают никаких ограничений на объём вносимой теоретической информации.

Кроме этого учёные занимаются поиском генов, кодирующих новые полезные признаки. Ситуация в этой области меняется радикальным образом, прежде всего, существованию публичных баз данных, которые содержат информацию о большинстве генов, бактерий, дрожжей, человека и растений, а также в следствии разработки методов, позволяющих одновременно анализировать экспрессию большого количества генов с очень высокой пропускной способностью. Применяемые на практике методы можно разделить на две категории:

Методы, позволяющие вести экспрессионное профилирование: субстракционная гибридизация, электронное сравнение EST-библиотек, «генные чипы» и так далее. Они позволяют устанавливать корреляцию между тем или иным фенотипическим признаком и активностью конкретных генов.

Позиционное клонирование, заключается в создании за счет инсерционного мутагенеза мутантов с нарушениями в интересующем нас признаке или свойстве, с последующим клонированием соответствующего гена как такового, который заведомо содержит известную последовательность (инсерция).

Вышеназванные методы не предполагают ни каких изначальных сведений о генах, контролирующих тот или иной признак. Отсутствие рационального компонента в данном случае является положительным обстоятельством, поскольку неограничен нашими сегодняшними представлениями о природе и генном контроле конкретного интересующего нас признака.

Кроме всего этого группа ученых, таких как Марк Адам (ведущий сотрудник института геномных исследований в штате Мэриленд - США, частной исследовательской компании, занимающейся исключительной работой в области картирования генов), Крэйк Вентер (директор этого института) и соавторами, разрабатывали знаменитый проект «Геном человека».

Цель этого проекта заключалась в выяснении последовательности оснований во всех молекулах ДНК в клетках человека. Одновременно была установлена локализация всех генов, что помогло выяснить причину многих наследственных заболеваний и этим открыло пути к их лечению. Что бы последовательно приближаться к решению проблемы картирование генов человека, было сделано пять основных целей:

-Завершено составление детальной генетической карты, на которой были бы помечены гены, отстоящие друг от друга на расстоянии не превышающем в среднем 2 млн. оснований (1 млн. оснований принято называть мегобазой);

-составлена физическая карта каждой хромосомы (разрешение 0.1 Мб);

-получена карта всего генома в виде охарактеризованных клонов (5 тыс. оснований в клоне или 5 Кб);

-завершено в 2004 году полное секвенирование ДНК (разрешение одного основание);

-нанесены на полностью завершенную секвенсовую карту все гены человека (к 2005 году).

Заключение

В медицине биотехнологические приемы и методы играют ведущую роль при создании новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов, предназначенных для ранней диагностики и лечения различных заболеваний. Антибиотики -- самый большой класс фармацевтических соединений, получение которых осуществляется с помощью микробиологического синтеза. Созданы генноинженерные штаммы кишечной палочки, дрожжей, культивируемых клеток млекопитающих и насекомых, используемые для получения ростового гормона, инсулина и интерферона человека, различных ферментов и противовирусных вакцин. Изменяя нуклеотидную последовательность в генах, кодирующих соответствующие белки, оптимизируют структуру ферментов, гормонов и антигенов (так наз. белковая инженерия). Важнейшим открытием явилась разработанная в 1975 Г. Келером и С. Мильштейном техника использования гибридом для получения моноклональных антител желаемой специфичности. Моноклональные антитела используют как уникальные реагенты, для диагностики и лечения различных заболеваний.

Вклад биотехнологии в сельскохозяйственное производство заключается в облегчении традиционных методов селекции растений и животных и разработке новых технологий, позволяющих повысить эффективность сельского хозяйства. Во многих странах методами генетической и клеточной инженерии созданы высокопродуктивные и устойчивые к вредителям, болезням, гербицидам сорта сельскохозяйственных растений. Разработана техника оздоровления растений от накопленных инфекций, что особенно важно для вегетативно размножаемых культур (картофель и др.). Как одна из важнейших проблем биотехнологии во всем мире широко исследуется возможность управления процессом азотфиксации, в том числе возможность введения генов азотфиксации в геном полезных растений, а также процессом фотосинтеза. Ведутся исследования по улучшению аминокислотного состава растительных белков. Разрабатываются новые регуляторы роста растений, микробиологические средства защиты растений от болезней и вредителей, бактериальные удобрения. Генноинженерные вакцины, сыворотки, моноклональные антитела используют для профилактики, диагностики и терапии основных болезней сельскохозяйственных животных. В создании более эффективных технологий племенного дела применяют генноинженерный гормон роста, а также технику трансплантации и микроманипуляций на эмбрионах домашних животных. Для повышения продуктивности животных используют кормовой белок, полученный микробиологическим синтезом.

Биотехнологические процессы с использованием микроорганизмов и ферментов уже на современном техническом уровне широко применяют в пищевой промышленности. Промышленное выращивание микроорганизмов, растительных и животных клеток используют для получения многих ценных соединений -- ферментов, гормонов, аминокислот, витаминов, антибиотиков, метанола, органических кислот (уксусной, лимонной, молочной) и т. д. С помощью микроорганизмов проводят биотрансформацию одних органических соединений в другие (например, сорбита во фруктозу). Широкое применение в различных производствах получили иммобилизованные ферменты. Для выделения биологически активных веществ из сложных смесей используют моноклональные антитела. А. С. Спириным в 1985-88 разработаны принципы бесклеточного синтеза белка, когда вместо клеток применяются специальные биореакторы, содержащие необходимый набор очищенных клеточных компонентов. Этот метод позволяет получать разные типы белков и может быть эффективным в производстве. Многие промышленные технологии заменяются технологиями, использующими ферменты и микроорганизмы. Таковы биотехнологические методы переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, очистки и использования сточных вод для получения биогаза и удобрений. В ряде стран с помощью микроорганизмов получают этиловый спирт, который используют как горючее для автомобилей (в Бразилии, где топливный спирт широко применяется, его получают из сахарного тростника и других растений). На способности различных бактерий переводить металлы в растворимые соединения или накапливать их в себе основано извлечение многих металлов из бедных руд или сточных вод.

Дальнейший прогресс человечества во многом связан с развитием биотехнологии. Вместе с тем необходимо учитывать, что неконтролируемое распространение генноинженерных живых организмов и продуктов может нарушить биологический баланс в природе и представлять угрозу здоровью человека.

Список использованной дитературы

1. Н.П. Дубинин - «Очерки о генетике» 2004

2. Н.С. Егоров, А.В. Олескин - Биотехнология: Проблемы и перспективы 2005

3. Н. Гингерц, Р. Сэвидж - «Гибридные клетки» 2003

4. Ю.Ю. Глеба, К.М. Сытник - «Клеточная инженерия» 2004

5. Т. Маниатис - «Методы генетической инженерии» 2004

6. А.В. Акуличева, А.С. Гинзбург - «Генетика и наследственность» 2002

7. М.Е. Лобашев, К.В. Ватти - «Генетика с основами селекции» 2002