Достижения научно–технического прогресса и клонирование видов животных

33

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет Биолого-технологический

Кафедра________________________

Специальность зоотехния_________

Специализация ТППЖ____________

Форма обучения очное____________

Курс, группа СПО_401____________

Миллиятов Ильнур Геннадьевич

(Фамилия, имя, отчество студента)

Реферат

на тему:

«Достижения научно - технического прогресса и клонирование видов животных»

«К защите допускаю»

Руководитель

(ученая степень, звание Ф.И.О.)

(подпись)

“ __” _______________2008г.

Оценка при защите

(подпись)

“___” ________2008г.

Уфа 2008

Содержание

Введение

1.Биотехнология

2.Генная инженерия

3.Клонирование животных и растений

Заключение

Библиография

Введение

Возможности, открываемые генетической инженерией перед человечеством как в области фундаментальной науки, так и во многих других областях, весьма велики и нередко даже революционны. Так, она позволяет осуществлять индустриальное массовое производство нужных белков, значительно облегчает технологические процессы для получения продуктов ферментации -- энзимов и аминокислот, в будущем может применяться для улучшения растений и животных, а также для лечения наследственных болезней человека. Таким образом, генная инженерия, будучи одним из магистральных направлений научно-технического прогресса, активно способствует ускорению решения многих задач, таких, как продовольственная, сельскохозяйственная, энергетическая, экологическая.

Но особенно большие возможности генная инженерия открывает перед медициной и фармацевтикой, поскольку применение генной инженерии может привести к коренным преобразованиям медицины. Многие болезни, для которых в настоящее время не существует адекватных методов диагностики и лечения (раковые, сердечно-сосудистые, вирусные и паразитные инфекции, нервные и умственные расстройства), с помощью генной инженерии и биотехнологии станут доступны и диагностике, и лечению. Под влиянием биотехнологии медицина может превратиться из преимущественно эмпирической в фундаментально теоретически обоснованную дисциплину с ясным пониманием происходящих в организме молекулярных и генетических процессов.

1.Биотехнология

Биотехнология -- это новое научно-техническое направление, возникшее в 60--70-х годах нашего столетия. Особенно бурно она стала развиваться с середины 70-х годов после первых успехов генно-инженерных экспериментов. Несмотря на столь короткий срок своего существования, биотехнология привлекла пристальное внимание как ученых, так и широкой общественности. Биотехнология, в сущности, не что иное, как использование культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ. Биотехнология на основе применения знаний и методов биохимии, генетики и химической техники дала возможность получения с помощью легко доступных, возобновляемых ресурсов тех веществ и которые важны для жизни и благосостояния.

В промышленном масштабе подобная биотехнология представляет собой уже биоиндустрию.

Одно из объяснений живого интереса к биотехнологии можно найти прежде всего в том, что именно к этому времени была осознана действительная острота глобальных проблем, вставших перед человечеством: нехватка продовольствия, ограниченность энергии и минеральных ресурсов, резкое, почти катастрофическое, ухудшение окружающей среды и, как следствие, ухудшение здоровья человека. Стало понятно, что огромный индустриально-промышленный комплекс не только не помогает решить эти проблемы, но и еще более усугубляет их. Возникла настоятельная практическая потребность в принципиально новых технологиях и новых способах организации производства. В это же время физико-химическая биология в союзе с генетикой, молекулярной биологией и микробиологией предложили новую технологию, как будто способную помочь в решении этих проблем. Тем более что первые опыты биотехнологического производства дали неплохие результаты и потому позволили строить оптимистические планы на будущее. Биотехнология чрезвычайно наукоемкая технология. Так, например, возникшая первой в США фирма «Дженетек» расходует 76 % доходов на исследовательские разработки вместо обычных для других фирм 12 %. Среди общего числа работников НБФ около 35 % составляют доктора наук.

Таким образом, новая биотехнология - это больше научно-техническое новаторское направление, чем производственное, хотя и с довольно большими производственными перспективами. Однако это такое научно-техническое направление, которое само выступает производства, причем такого производства, которое уже не может сделать буквально ни одного шага без глубоких фундаментальных и систематических прикладных научных разработок. Подчеркивая специфику новой технологии, т. е. отличая ее и от сельского хозяйства, и от традиционной промышленности, можно так определить биотехнологию: это технология промышленного применения и эксплуатации естественных и целенаправленно созданных живых систем, прежде всего микроорганизмов, в качестве автоматически действующих сил природы для удовлетворения.

Возникновение социальных проблем биотехнологии обусловлено прежде всего тем, что это новое производство есть одно из важнейших направлений научно-технического прогресса, качественно преобразующих содержание научно-технической революции. Есть все основания предполагать, что в недалеком будущем биотехнология превратится в одно из важнейших приоритетных направлений научно-технического прогресса и тем самым может привести к переосмыслению и самих критериев этого прогресса. Это предположение зиждется на том, что глобальные проблемы современности, и в особенности экологическую, продовольственную и энергетическую, очень трудно (если не невозможно) будет решать без самого непосредственного и широкого применения биотехнологии. Важнейшие социальные проблемы возникают также и в связи с тем, что развитие биотехнологии ведет к размыванию традиционных границ между сельским хозяйством и промышленностью. Более того, возникающая в настоящее время необходимость сначала экологизации, а затем и в более широком смысле биологизации всей производственной и хозяйственной деятельности человечества может привести не только к перестройке и даже замене (сначала, конечно, частичной) привычного сельского хозяйства биотехнологией, но и к преобразованию промышленности и техники.

Примечательно, что в сфере биотехнологии целый ряд биологических наук, и прежде всего микробиология, генетика и физико-химическая биология, уже превращаются в непосредственную производительную силу.

Слияние науки и производства, превращение науки в непосредственную производительную силу, а производства в предметно - воплощающую науку как нельзя лучше характеризует это новаторское направление. Видимо, поэтому оно оказывается тем фокусом, который стягивает в себе как проблематику, традиционно относимую к сфере философии и методологии научного познания, так и проблемы социально-философского и методологического осмысления практики, производства, промышленности.

Биотехнология привлекает к себе прежде всего возможностью приспособления естественных, органических технологий живой клетки, ткани, организма, биоценоза и биосферы в целом для нужд человека как таких технологий, которые естественным образом смогут быть встроены в биологический круговорот планеты. Однако это только идея, пока существующая еще в качестве труднодостижимой мечты, поскольку теперь действующая биотехнология -- это в большей мере химическая технология, в которой используются фрагменты живого. Тем не менее и в качестве даже идеи-мечты она оказывает заметное благотворное воздействие: именно в русле этой мечты родились и задачи экологизации, и -- в более широком плане -- биологизации всей производственно-хозяйственной деятельности человека на планете. С помощью биотехнологии получено множество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства, продовольственной и химической промышленности. Причем важно то, что многие из них не могли быть получены без применения биотехнологических способов. Особенно большие надежды связываются с попытками использования микроорганизмов и культур клеток для уменьшения загрязнения среды и производства энергии.

2.Генная инженерия

За последние 10--15 лет были созданы принципиально новые методы манипулирования с нуклеиновыми кислотами in vitro, на основе которых зародился и бурно развивается новый раздел молекулярной биологии и генетики -- генная инженерия. Принципиальное отличие генной инженерии от использовавшихся ранее традиционных приемов изменения состоит в том, что она дает возможность конструировать функционально активные генетические структуры in vitro в форме рекомбинантных ДНК. Понятия «генная» и «генетическая» инженерия часто употребляют как синонимы, хотя последнее является более широким и включает манипулирование не только с отдельными генами, но и с более крупными частями генома. Работа по переделке генотипа животных или растений с помощью скрещиваний ограничены пределами вида либо близких в видовом отношении форм. Напротив, генная инженерия, как будет показано ниже, стирает межвидовые барьеры, обеспечивая возможность создания организмов с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств. Генная инженерия представляет собой совокупность методов, позволяющих не только получать реконбинантные ДНК из фрагментов геномов разных организмов, но и вводить такие рекомбинантные молекулы в клетку, создавая условия для экспрессии в ней введенных, часто совершенно чужеродных генов. Таким образом, в этом случае исследователь оперирует непосредственно с генами, причем их перенос может не зависеть от таксономического родства используемых организмов. Эта особенность генной инженерии представляет ее главное отличие от ранее использовавшихся приемов изменения генотипа.

Первенствующую роль в формировании генной инженерии сыграла генетика микроорганизмов, идеи и методы, разработанные молекулярной генетикой и химией нуклеиновых кислот. Формальной датой рождения генной инженерии считают 1972 г., когда группа П. Берга в США создала первую рекомбинантиую ДНК in vitro, объединившую в своем составе генетический материал из трех источников: полный геном онкогенного вируса обезьян SV40, часть генома умеренного бактериофага К и гены галактозного оперона Е. coli. Сконструированная рекомбинантная молекула не была исследована на функциональную активность, поскольку у авторов этой работы возникли опасения, что методы генной инженерии могут привести к появлению микроорганизмов, опасных для здоровья человека, например бактерий Е. coil, способных перенести онкогенные вирусы животных в кишечник человека. Разработанные позднее правила работы с рекомбинантными молекулами позволили практически устранить возможность вредных последствий создания рекомбинантных ДНК, объединяющих в своем составе гены разного происхождения.

Методы генной инженерии. Возможность выделения отдельных генов в составе относительно небольших фрагментов ДНК была продемонстрирована незадолго до возникновения генной инженерии в экспериментах in vitro . В 1969 г. Дж. Беквит, Дж. Шапиро и другие опубликовали работу по выделению генов лактозного оперона Е.coli, основанную на сочетании традиционных методов генетики микроорганизмов и физических методов выделения и гибридизации молекул ДНК.

Отдельные гены с целью их последующего молекулярного клонирования в составе рекомбинантных ДНК методами генной инженерии могут быть получены следующими способами:

непосредственным выделением из природных источников;

путем химического синтеза;

копированием соответствующей гену и РНК для получения комплиментарной ДНК-вой реплики (к ДНК).

Первый метод широко использовался на раннем этапе развития генной инженерии. Тотальную ДНК из разных источников подвергали деградации различными рестриктазами, сшивали с векторными молекулами, вводили в реципиентные клетки и отбирали клоны с гибридными молекулами, включавшими требуемый ген, по появлению соответствующих маркеров донора (например, устойчивости к определенному антибиотику) либо с помощью специальных иммунологических и гибридизационных методов. Этот метод не утратил своего значения и успешно применяется, например для создания банка генов.

Искусственный синтез гена впервые осуществлен химическим путем в 1969 г. группой Кораны с сотрудниками. Химическому синтезу генов существенно способствовало совершенствование методов изучения первичной структуры белков или других продуктов, кодируемых синтезируемым геном, а также методов определения первичной структуры (секвенирования) нуклеиновых кислот. Секвенирование ДНК играет большую роль не только в работах по химическому синтезу генов, но и при изучении их функции, их регуляторных последовательностей, а также целых генетических систем, например мобильных диспергированных генов у эукариот.

Анализ первичной структуры ДНК, т. е. установление последовательности нуклеотидных остатков в ее молекуле, в настоящее время основан на двух методах -- методе химической деградации (А. Максам и В. Гилберт, 1977) и методе полимеразного копирования с использованием терминирующих аналогов нуклеотидов (Ф. Сэнгер, 1977).

В практике генной инженерии широко распространен и третий метод искусственного получения генов, основанный на их ферментативном синтезе с помощью механизма обратной транскрипции. Этот механизм связан с активностью РНК-зависимой ДНК-полимеразы или обратной транскриптазы -- фермента, впервые обнаруженного при исследовании репликации РНК онкогенных вирусов. Фермент способен строить ДНК-копии на разных РНК, включая синтетические полирибонуклеотиды. С помощью обратной транскриптазы, называемой иногда ревертазой, можно синтезировать практически любой индивидуальный ген в присутствии соответствующих иРНК, методы выделении которых достаточно разработаны. В 70-е годы появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью электрофореза. В руки ученых попали "молекулярные ножницы". Транспортным средством переноса генетической информации в клетку стал вирус. Явление трансдукции -- переноса генов из одной клетки в другую с помощью вирусов изучали еще с 50-х годов. Но вирус не должен был сразу уничтожать всю клетку, поэтому не все вирусы подходили для этой роли. Известно, что бактериальные клетки могут обмениваться генетическим материалом при помощи плазмид (небольших частиц с фрагментами ДНК). Поэтому введение нужного гена в плазмиду позволяет в дальнейшем перенести этот ген в бактерию (это еще один из механизмов транспорта в генной инженерии). Появилась возможность изучать распределение нуклеотидов в определенном гене или получать нужный белок. Для этого создается рекомбинантная ДНК, которая возникает, когда ДНК одного организма внедряется в клетки другого. В качестве последнего используются клетки организма, который размножается много быстрее первого, например, бактерии. Так, в 80-е годы были разработаны интерфероны - белки, способные подавлять размножение вирусов. Были выбраны наиболее подходящие для переноса гены и мобильные участки ДНК. Например, культурным растениям вводят гены, повышающие их иммунитет и устойчивость.

В 1983г. Барбара Мак-клинток при изучении генетики кукурузы обнаружила в ее геноме один "подвижный" ген, отвечающий за цвет початка. Независимо от неё подвижные гены были открыты методами молекулярной генетики советским ученым Г. П. Георгисвым. В 1981 г. процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован.

При всем разнообразии методов основная схема любой генно-инженерной работы остается неизменной. Она включает:

обработку кольцевой векторной молекулы рестриктазой с образованием линейной формы ДНК;

сплавление ее с фрагментом чужеродной ДНК, ведущее к формированию гибридной структуры;

введение гибрида в клетку реципиента;

отбор клонов трансформированных клеток на селективных средах;

доказательство присутствия рекомбинантной ДНК в этих клонах путем ее выделения из клеток, обработки соответствующими рестриктазами и анализа образовавшихся фрагментов методом электрофореза в агарозном геле.

Известно несколько методов объединения фрагментов ДНК из разных источников, позволяющих включить клонируемую донорную ДНК в состав вектора. Один из них основан на соединении фрагментов, каждый из которых несет идентичные «хлипкие» концы, полученные под действием одной и той же рестриктазы. При другом методе, ферментативном, используется возможность соединения двухцепочных концов фрагментов ДНК с помощью ДНК-лигазы. Для повышения эффективности лигазы к концам сшиваемых фрагментов ДНК химически присоединяют комплиментарные однонитивые олигонуклеотиды, например поли-А и поли-Т, создавая тем самым искусственные «липкие» концы.

Методы введения рекомбинантных молекул в клетки зависят от особенностей самих клеток и используемых векторов. В тех случаях, когда векторами служат плазмиды, рекомбинантные ДНК вводят в реципиентные бактерии путем трансформации. Разработаны и методы трансформации клеток животных, а также протопластов растений. Для защиты экзогенного клеточного материала, вводимого в клетки млекопитающих или в протопласты растений, используют липосомы -- сферические тельца, оболочка которых состоит из фосфолипидов. В составе липосом в клетки высших эукариот введены крупные вирусные РНК. Во всех случаях липосомы надежно защищали молекулы нуклеиновых кислот от разрушения нуклеазами.

Один из путей передачи генетической информации в культуре клеток человека, животных и растений -- гибридизация соматических клеток, разработанная Б. Эфрусси и Г. Барски (1960). Эффективность этого метода значительно повысилась после того, как было обнаружено, что частицы инактивированного вируса парагриппа типа Сендай увеличивают частоту слияния клеток из самых разных источников. Показана возможность передачи генов из изолированных хромосом китайского хомячка в клетки соединительной ткани мыши. Описаны гибриды клеток человека и мыши, из которых часть хромосом человека удаляется, а часть остается функционально активной. Для введения ДНК в различные культуры клеток млекопитающих или развивающиеся эмбрионы используют метод микро инъекций ДНК в ядро с помощью микроманипулятора. Развитие методов микрохирургии клеток позволило заменять ядра оплодотворенных яйцеклеток на ядра из соматических клеток и в результате получать абсолютно идентичные организмы. Создание гибридов высших растений в обход полового скрещивания возможно путем слияния протопластов и соматической гибридизации растительных клеток, в результате чего в ряде случаев появляются целые гибридные растения. Все эти методы могут быть использованы для конструирования новых форм микроорганизмов, животных и растений путем введения и стабильного наследования в них рекомбинантных ДНК, несущих, гены, детерминирующие желаемые признаки.

Следует, однако, отметить, что, несмотря на очевидные успехи подобных работ по созданию микроорганизмов, синтезирующих ряд важных продуктов эукариотического происхождения, проблема экспрессии чужеродных генов у прокариот имеет ряд ограничений. Некоторые из них связаны с тем, что при сверхпродукции полезных для человека и не нужных клетке соединений, кодируемых гибридной плазмидой, усиливается неустойчивость самих гибридов и вероятность элиминации из них встроенных генов. Стабильность гибридных ДНК снижается и с увеличением размеров вставки в вектор. Поэтому разрабатываются методы, направленные на сохранение целостности гибридной структуры. Использование регулируемых промоторов предохраняет клетку от чрезмерной для нее метаболической активности, связанной с избыточной продукцией чужеродного белка. Вместе с тем проблема стабильности гибридных молекул окончательно не решена. Ограничения возможностей конструирования микроорганизмов -- гиперпродуцентов ценных препаратов -- распространяются на случаи клонирования и экспрессии любых генов как про -, так и эукариотического происхождения.

Наряду с этим существуют и ограничения, специфически связанные с выражением эукариотических генов в прокариотах.

Первое из них определяется тем, что эукариотические промоторы могут не распознаваться бактериальной РНК - полимеразой.

Второе заключается в том, что и РНК транскрибирующаяся с эукариотических генов, не содержит последовательности Шайн--Далгарно, необходимой для ее связывания с рибосомами.

В-третьих, такая иРНК может содержать интроны, которые следует вырезать.

Наконец, эукариотические белки часто становятся субстратами для бактериальных протеаз, опознающих такие белки как чужеродные.

Первые два ограничения преодолеваются за счет создания векторов, несущих собственные промоторы и последовательность Шайн--Далгарно, третье можно обойти путем использования кДНК либо химически синтезированных генов. Протеазная активность реципиентных бактерий подавляется мутациями. Преодоление всех этих ограничений открывает дальнейшие перспективы использования методов генной инженерии при создании микроорганизмов -- продуцентов гормонов, вакцин, антисывороток и ферментов, представляющих интерес для медицины, ветеринарии, сельского хозяйства и микробиологической промышленности.

Достижения генной инженерии. Группа Кораны синтезировала ген аланиновой тРНК дрожжей, структура которого к тому времени была полностью расшифрована. Этот ген длиной 77 п. н. не содержал регуляторных последовательностей и поэтому не обладал функциональной активностью. Позднее та же группа авторов синтезировала первый функционально активный ген -- ген супрессорной тирозиновой тРНК Е. coli длиной около 200 п. н.

Генная инженерия открыла путь для производства продуктов белковой природы путем введения в клетки микроорганизмов искусственно синтезированных кодирующих их генов, где они могут экспрессироваться в составе гибридных молекул. Первой удачной попыткой такого рода стала работа К. Итакуры и Г. Бойера с соавторами (1977) по экспрессии в Е. coil химически синтезированного гена, кодирующего гормон млекопитающих -- соматостатин. Ген соматостатина был получен на основе сведений о первичном строении этого пептидного гормона, состоящего всего из 14 аминокислот. Использованный в этой работе подход оказался весьма перспективным для получения и многих других пептидных гормонов.

В различных лабораториях в СССР и за рубежом были созданы штаммы Е. coli, синтезирующие в составе гибридных белков гормон роста человека (соматотропин), пептидные гормоны -- брадикинин и ангиотензин, нейропептид лей-энкефалин и др.

Ген гормона роста человека длиной 584 п. н.-- наиболее длинный из искусственно синтезированных в настоящее время. Он был встроен в плазмиду, реплицирующуюся в Е. coli под контролем промотора триптофанового оперона. Трансформированные полученной химерной плазмидой клетки Е. coli продуцировали при индукции промотора около 3 млн. молекул гормона роста человека в расчете на клетку. Этот полипептид, как было установлено в экспериментах на крысах с удаленным гипофизом, по функциям оказался полностью идентичен гормону роста человека.

В 1976 г. Гилберт и Максам в Гарвардском университете, а также Сэнгер разработали быстрый метод химического анализа ДНК; появилась реальная возможность определять последовательность до 1000 нуклеотидов в неделю силами одного исследователя. В 1982--1985гг. стало возможно создать прибор для автоматического анализа нуклеиновых кислот (а значит, генов). Анализ ДНК позволяет дедуцировать, основываясь на генетическом коде, аминокислотные последовательности белков, синтез которых находится под контролем соответствующих генов. С помощью созданного в результате совершенствования анализа белков микроанализатора Худа-- Ханкепиллера (Калифорнийский технологический институт, 1980) за день удается определять последовательность из 100--200 аминокислот, причем для этого требуется всего 10 нг белка (1 нг=10 ^-9 г)².

Еще один важнейший этап - это синтез биополимеров по установленной структуре. Первые коммерческие приборы, производящие автоматизированный синтез полипептидов, были разработаны на основе исследований Меррифилда в 1963 г. Они используются в исследовательских лабораториях и в фармацевтической промышленности.

Метод химического синтеза генов обеспечил также возможность получения штаммов бактерий продуцентов инсулина человека, важного лечебного препарата для больных диабетом. Таким способом получены и клонированы гены, кодирующие глобины человека, животных и птиц, белок хрусталика глаза быка, яичный белок, фиброин шелка, продуцируемый тутовым шелкопрядом, и др. Этот же принцип был применен для получения, клонирования и экспрессии генов интерферона человека в бактериях. Интерферон -- ценный лекарственный препарат, широко используемый для борьбы с вирусными инфекциями и лечения ряда других заболеваний, включая злокачественные опухоли. Интерферон вырабатывается в клетках животных и человека, но обладает выраженной видоспецифичностью. Ю. А. Овчинников и В. Г. Дебабов с сотрудниками получили микроорганизмы, эффективно синтезирующие интерфероны человека. Этим исследователям удалось сконструировать рекомбинантные плазмиды, обуславливающие синтез интерферона человека в Е. coli. Очищенный из клеток бактерий интерферон по своим физико-химическим и биологическим свойствам оказался близок интерферону, находящемуся в крови доноров. За счет введения в векторную плазмиду сигнальных последовательностей, инициирующих синтез иРНК и белка, удалось получить бактерии, способные синтезировать до 5 мг интерферона а расчете на 1 л суспензии бактерий. Это в 5000 раз больше, чем содержится в 1 л крови доноров. Замена Е. coli на микробы некоторых других видов позволяет еще больше увеличить производительность такой «фабрики интерферона».

В 1980 г. Итакура создал первый синтезатор генов. Вскоре после этого компания «Био-Лоджикалс» (Торонто) выпустила прибор, сконструированный Огилви в Университете МакГилла в Монреале; прибор был способен в течение 6 ч синтезировать 12-членный олигонуклеотид с заданной последовательностью. В 1981 г. Худ, изобретатель белкового микроанализатора, создал другой автомат, выпускаемый фирмой «Генетик инстраментс».

Компания «Био-Лоджикалс» намеревалась до конца 1982 г. выпустить две модели синтезаторов олигонуклеотидов--одну полуавтоматическую, а вторую в комплексе с компьютером.

3. Клонирование животных и растений

Мечты человека растить всегда только качественные и вкусные плоды овощей и фруктов, разводить только здоровых коров с хорошими удоями, овец с большим настригом шерсти или же отличных кур-несушек были всегда. Но, пожалуй, лишь в последнее время этот здоровый интерес был подогрет не совсем безобидными и радужными успехами ученых в клонировании животных и растений.

Воспроизводство организмов, которые полностью повторяют уникальные свойства продуктивности особи, возможно лишь при единственном условии, - если генетическая информация матери будет точно и без изменений передана дочерям. В естественных условиях размножения этому препятствует биологический процесс, называемый - мейоз.

При мейозе, еще незрелая яйцеклетка, имеющая двойной (диплоидный) набор хромосом, делится дважды, давая начало возникновению четырех гаплоидных (с одинарным набором хромосом) клеток. Три из них ждет процесс дегенерации, а четвертую, которая имеет наибольший запас питательных веществ, ожидает судьба стать яйцеклеткой. Но большая часть животных в силу их гаплоидной направленности не могут развиваться в новый организм без оплодотворения - слияния ее с гаплоидным сперматозоидом. Естественно, что организм, развившийся из оплодотворенной клетки, приобретает признаки, которые определяются комплексным взаимодействием материнской и отцовской наследственности, что препятствует идентичному повторению материнской копии в потомстве.

Неужели, природа за 3 миллиарда лет своего существования не выявила того, что лучше подходит животным и растениям для их выживания и дальнейшего воспроизводства? Ведь эти процессы развились с течением эволюции не случайно. Если бы клонирование было удачной перспективой постоянного и гарантированного размножения живых существ, именно он бы стал основным, поскольку с началом развития жизни на Земле другого по началу не было. Однако, по прошествии сотен миллионов лет, единственными живыми существами на Земле, кто до сих пор размножается подобным способом, являются лишь отдельные виды животных и растений, а также немногочисленные виды простейших одноклеточных животных и бактерий, и неклеточные формы жизни - вирусы. Но человеческая жажда найти любые способы, лишь бы ничего не делать или трудиться как можно меньше, постепенно подтолкнула ученых идти по более легкому пути достижения поставленной цели - вырастить суперидеальные животные и растения. А именно, почти “забросить” селекцию и удариться в клонирование.

Конечно же, селекция занимает очень много времени и эта технология чрезвычайно дорогая. Особенно тяжело и долго выводить новые сорта и гибриды плодовых деревьев. С животными немного проще, но также нужно “мучиться”, чтобы получить из сотни пробно выращенных коров, ту единственную, которая и дает наибольшие удои, здорова физически, да и подготовлена для тех или иных условий среды обитания. На это уходят годы, иногда десятилетия. Но это еще не все. Дело в том, что животные и растения не вечны. Они умирают со временем. Как сохранить именно эту породу животного или сорт растения? Чтобы соблюсти чистоту сорта нужно снова теми же методами разводить кучу животных от “идеала”, чтобы снова получить из этой кучи “новый идеал” (нашли выход только для быков и другого скота, замораживая сперму “идельного” самца-производителя). А у растений нужно в лабораторных условиях получить с “идеальных” семян, новые растения, и с них собрать новые семена. А если селекцией создан гибрид, то от него нельзя брать его потомков (или семена с этого растения), поскольку идеальные свойства гибрид получает от скрещивания с разными породами (сортами). То есть, чтобы его снова повторить, нужно снова скрещивать разные породы (сорта), которые с течением лет, изменяют свои свойства, что меняет и свойства гибрида. Поэтому, иногда они становятся с годами лучше, а иногда - хуже. Во втором случае, некогда хороший гибрид можно считать утерянным безвозвратно в прежних качествах.

В этой куче проблем и труда, клонирование - довольно заманчивая перспектива. Теоретически, достаточно будет создать один единственный экземпляр животного или растения всего лишь раз, и сотни лет клонировать этот “идеал”. Чтобы разобраться в сути процессов клонирования, вернемся к природному процессу мейоза. Как же, вопреки природе, заставить клетку развиваться только с материнским диплоидным набором хромосом? Решение этой проблемы технически вполне осуществимо двумя способами.

Первый способ изобретен довольно давно.

Еще сто лет назад зоолог Московского университета А.А.Тихомиров впервые открыл, что яички тутового шелкопряда в результате различных химических и физических воздействий начинают развиваться без оплодотворения. Однако это развитие, названное партеногенезом, рано останавливалось: партеногенетические эмбрионы погибали еще до вылупления личинок из яиц. Но начало клонированию животных было положено.

В последствии (в 30ых годах) удалось подобрать термическое воздействие, которое одновременно стимулировало неоплодотворенное яйцо к развитию и блокировало стадию мейоза, т.е. превращение диплоидного ядра яйцеклетки в гаплоидное. Ядро, оставшееся диплоидным, давало начало жизни новым личинкам, точно повторяющим генотип матери, включая и пол. Таким образом, в результате амейотического партеногенеза были получены первые генетические копии, идентичные матери.

Однако, число вылупившихся этим способом гусениц, находилось в прямой зависимости от жизнеспособности матери, поэтому у "чистых" пород вылупление гусениц не превышало нескольких процентов, в то время как у значительно более жизнеспособных межрасовых гибридов оно достигало 40 - 50%! То есть, тогда природа показала свои преимущества межвидового скрещивания. В итоге, партеногенетическое потомство характеризовалось пониженной жизнеспособностью на эмбриональных и постэмбриональных стадиях развития (гусеницы, куколки, бабочки). Вылупившиеся гусеницы развивались неравномерно, было много уродов, а свитые ими коконы шелка сильно различались по массе.

Позже метод улучшили, применив гибридизацию между селекционными линиями, то есть, “впустив” львиную долю природных процессов в механику клонирования. Так удалось повысить жизнеспособность у новых клонов до нормы, но довести до этого уровня другие количественные признаки тогда не удалось. В частности, масса партеногенетических коконов не превышала 82% от массы нормальных коконов такого же генотипа, что для промышленного применения методики в производстве шелка не приемлемо.

Позднее были установлены причины “партеногенетической депрессии” и сложными методами, которые позволяют накапливать "гены партеногенеза", вывели новые высоко жизнеспособные клоны самок, а позже и партеногенетических самцов. Успехи клонирования в то время могли стать реальностью лишь для животных, стоящих на невысокой ступени развития, к которым и относился тутовый шелкопряд (“депрессия” у которого несравнимо меньше, чем у млекопитающих животных; у млекопитающих, яйцеклетка с диплоидным ядром, образованным в результате слияния двух женских гаплоидных ядер или двух мужских, вообще не развивается в организм).

Для шелкопряда очень важно было вывести именно “идеальных” для клонирования самцов, поскольку самки шелкопряда съедают на 20% больше листа шелковицы, а их коконы содержат шелка на 20% меньше. С экономической точки зрения, это все равно, что на молочной ферме держать половину коров и половину быков, хотя молока от быков, естественно не дождешься. Следовательно, для лучшего сбережения ресурсов и для большей отдачи, выгодно промышленное разведение только самцов.

Поэтому, скрещивая таких самцов со своими клонированными "матерями" или склонными к партеногенезу самками других клонов, было получено потомство с еще большей склонностью к партеногенезу. Из лучших в этом отношении самок брали “мам” для новых клонов.

И, не смотря на удачные результаты многолетнего отбора, в результате которых удалось накопить в генотипе селектируемых клонов невиданно большое число генов, обуславливающих высокую склонность к партеногенезу и жизнеспособность (вылупление гусениц достигло 90%, а их жизнеспособность, повысилась до 95 - 100%, опередив в этом отношении обычные породы и даже гибриды), а также, несмотря на удачный исход в деле клонирования самцов, для практического применения полученные клоны все же остались не пригодны. Их можно было использовать только “на племя” - для получения выдающегося по продуктивности потомства при обычном половом размножении, поскольку количество полученных клонов самцов исчисляется единицами и процесс их получения чрезвычайно дорог и не выгоден.

Интересен и тот факт, что успех в получении высококачественных пород шелкопряда стоил так дорого и шел так долго, что за это время и на эти деньги можно было бы обычной селекцией вывести в 10 раз более продуктивную породу.

Да, стоит признать, что с вовлечением женских партеноклонов в промышленное шелководство полностью снимаются колоссальные трудности выведения урожайных гибридов 100%ой чистоты, поскольку совсем исключается трудоемкое и неточное разделение по коконам племенных самок и самцов для межпородного скрещивания. В результате мы теперь имеем многие сотни тысяч генетических копий матери, отца, сестер и братьев “идеала”, и первые из них уже доведены до промышленного использования.

Но если сравнить степень успеха в клонировании шелкопряда с успехами в селекции, то не трудно понять, что довольно несложно можно было бы, вполне старыми методами генетики, селекционно вывести за треть того времени, что было потрачено на клонирование, скажем, такую породу шелкопряда, у которого и самки и самцы и ели бы мало листьев, и давали бы одинаково шелка. Тогда и не нужно было бы так мучиться с ручным отделением самок от самцов.

Второй способ решения проблемы мейоза, заставляющий клетку развиваться только с материнским диплоидным набором хромосом.

Клонировать млекопитающих сложнее, но с развитием науки стало возможным, благодаря другому способу, который основан на замене гаплоидного ядра яйцеклетки на диплоидное ядро, взятое из клеток эмбрионов. Эти клетки еще не вступили в процесс дифференцирования (т.е. у них не началась закладка органов), и поэтому их ядра без осложнений заменяют функцию диплоидного ядра только что оплодотворенной яйцеклетки. С помощью такой методики в 1952 в США - Бриггс и Кинг, и в 1960 в Великобритании - Гордон, получили генетические копии лягушки, а швейцарский ученый Ильмензее - клонов мыши.

И, наконец, самый, наверное, громогласный триумф прошлого века - шотландец Уилмут получает этим путем знаменитую овечку Долли, которая по мысли ученого - генетическая копия матери. Ибо “из клеток ее вымени было взято ядро для пересадки в яйцеклетку другой овцы”. “Успеху” способствовало то, что взамен инъекции нового ядра применялись методы воздействия, приводящие к слиянию лишенной ядра яйцеклетки с обычной неполовой клеткой организма. После этого, яйцеклетка с замененным ядром развивалась как оплодотворенная.

Сторонники клонирования считают, что “насколько совершенен метод клонирования и каковы перспективы его улучшения, судить по одной овце пока рано”. Вероятно, они так считают потому, что овца начала болеть. Но интерес ученых к освоению этого метода клонирования уже был подогрет. Дошла очередь и до человека. Идея клонировать выдающихся гениев человечества представляется нам не менее заманчивой, чем клонирование сельскохозяйственных животных.

Аргументами в пользу реализации своей программы клонологи считают наблюдения за однояйцевыми близнецами. Но в их ли пользу? Да, однояйцевые близнецы действительно по отношению друг к другу представляют собой клоны. Но “идеальные” ли? Воздействие окружающей среды с течением лет сводит на нет практически 2/3 всех их свойств схожести, оставляя только внешние данные, которые практически не меняются от такого рода воздействий. И кто-нибудь может назвать хоть одного гения-близнеца за все время существования человеческой цивилизации?

Почему-то клонологи также считают, что количество самостоятельных делений клетки животного, помещенного в питательный раствор, говорит о преимуществах клонов, недавно, прошла новость о том, что у клонированного быка взяли клетки и в лабораторных условиях (в пробирке) просчитали, сколько раз они будут делиться. Получили, что 90 и обрадовались, поскольку у оригинала было лишь 60 делений. Если клетки делятся больше, дескать, и бык должен жить дольше, то есть в полтора раза. Это подхватили все СМИ, заявив, что можно теперь продлить жизнь и человеку в полтора раза. Но, клетки человека делятся только 50 раз, а живет он 70-80 лет. У быка делятся 60 раз, а живет он - 15-20 лет.

А что до деления клеток, то этот процесс нельзя проследить внутри организма живого существа. Ведь не исключено, что вне него, “получившие свободу” клетки, в пробирке могут и больше делиться, а могут и меньше. В цельном организме клетки и ведут себя организованно и обмениваются веществами и информацией. А изолированные клетки ведут себя по принципу “сами по себе”. Конечно, так можно прожить и дольше.

Другие аргументы клонологов в свою пользу дословно такие: “Человечество уже давно не подвергается ни естественному, ни искусственному отбору. Последний не возможен по целому ряду этических и чисто биологических причин. Несомненно, искусственный отбор на интеллект привел бы к поразительным успехам”.

Спасибо, что эти “великие умы” не дают нам гарантий, что сверхинтеллектуальные индивидуумы не будут ущербны в каком-либо другом отношении, как это часто случается в селекции животных (переразвитие какого-либо одного хозяйственного признака снижает другие жизненно важные качества, например, жизнеспособность).

Гарантий они не дают, потому что на большом опыте клонирования уже убедились в реальности данного сценария развития событий.

Здесь стоит остановиться и разобраться поподробнее.

Есть упрямая и удивительная статистика. Среди населения всегда будет какой-то малый процент бездельников (около 4-6%), еще меньший процент сумасшедших и маньяков. Также мало и гениев.

И как не старались искусственно изолировать насильственным образом каждую из этих групп от общества, за небольшое время они вновь в нем появлялись, “отпочковавшись” из других социальных групп.

Стало быть, общество людей - это цельный организм, выпадение из которого одного связующего звена, выполняющего определенную роль, пусть даже угрожающую устоям этого общества, всегда чревато тем, что свободную нишу заполнит кто-то снова. Аналогичные социальные явления наблюдаются и у других животных, живущих коллективно. Наиболее наглядны в этом отношении пчелы. Все эти размышления ведутся к тому, что количество гениев, маньяков или тунеядцев в обществе, нельзя изменить искусственно, поскольку в ответ на это изменение, ниши, переполненные, например, гениями, поредеют за их же счет и за счет гениев, родившихся естественным путем. И из большого числа наклонированных гениев истинными гениями станет лишь та часть, которая не изменит общий процент гениев в обществе. Спрашивается, зачем тогда все это нужно затевать? Ведь не ясны еще и последствия всех этих мероприятий.

А представить их можно, ориентируясь на природные процессы клонирования. Вот растет куст земляники. В процессе роста он выбрасывает усы, концы которых имеют дочерний отросток, который, укоренившись на земле, станет самостоятельным новым кустом земляники, который будет точной копией матери, то есть, клоном. Из него, в свою очередь ус продолжает тянуться дальше, выбрасывая очередной новый отросток, который также укореняется и становится самостоятельным, а из него снова тянется ус. Теоретически, таким манером можно заполонить всю планету земляникой всего один материнский куст. Но не тут то было. Даже если создать для него оптимальные условия для роста и развития, через пять, шесть колен уса, его отростки на конце выродятся настолько, что станут слабыми и не жизнеспособными. Выродится же он потому, что за время длительного роста и большой протяженности материнского уса, последний отросток на конце получит массу негативных компонентов и болезней, которые развились у материнского куста и первых отростков и которые, в отличие от последнего, успели к ним выработать иммунитет. Именно по этой причине у таких растений, как земляника, которая размножается усами, малина, которая размножается корневищами под землей, у чеснока, который делится на дольки и многих других, существуют и другие способы размножения, а именно - семенами. И именно семена служат гарантом выживаемости того или иного рода растений, и переноса их семян в другие уголки Земли, а вовсе не эти процессы размножения делением или почкованием, которые служат лишь для того, чтобы один вид того или иного растения смог захватить определенный участок земли у других видов растений и заселить его только собой. Но дальше, за свою территорию, в неблагоприятные для себя условия, такие растения не пойдут. Вот мы и наблюдаем, поляны земляники или заросли малины в лесу строго в определенных ограниченных местах, а отнюдь не повсеместно. Но это у растений. А как обстоят дела у животных? Да, по сути, также. Рассмотрим теперь для контрастности восприятия дигибридное скрещивание, которое наиболее часто и происходит в природе (между особями, различающимися по многим признакам). Пример рассмотрим на морских свинках.

Верхние свинки (Р) - гладкая черная и многошерстная белая являются родителями. Они дают первое поколение свинок (F1) у которых будет черная окраска, но густая шерсть. Четко видно, что черная окраска доминирует над белой, и густая шерсть над гладкой. Если теперь получить поколение от таких свинок как F1, скрестив между собой, то в результате на потомстве (F2) проявятся рецессивные признаки генов родителей, которые были подавлены доминантными. Но пропорциональное соотношение количества потомков носящих доминантные и рецессивные признаки будет не одинаковым и преимущество будет не в пользу последних. На рисунке видно, что больше всего будет опять таких же черных и многошерстных свинок. Из 12 особей 9 будут именно такими. По трое будут носить копии признаков своих деда и бабки, и только 1 особь будет обладать всеми рецессивными признаками - гладкой шерстью и белым цветом. Строгое выполнение этого процесса является основополагающим законом генетики - это второй закон Менделя.

Какие признаки ждет процветание, а какие быстрое вымирание? Природой в этом отношении все продумано досконально. Теперь представим себе, что мы хотим клонировать особь гладкую и белую, ту самую, которая носит в себе самые слабые для выживания - рецессивные признаки, но красива для человека в качестве декоративного домашнего животного. И получим мы от этого процесса - слабую и нежизнеспособную особь, которая будет нестойка к болезням или плохому питанию.

Поэтому клонирование такой особи - это исключительный вариант, характерный для удовлетворения только эстетических потребностей человека.

С точки зрения продуктивности оптимальным вариантом будет клонирование особи F1 или гибрида, который отличается наибольшей стойкостью к болезням и выносливостью.

Гигантские работы ученых по разведению целого ряда резко различающихся между собой клонов, показали, что, несмотря на одинаковые генотипы и условия разведения, члены одного клона оказываются весьма разнообразными по целому ряду признаков: величине, продуктивности и плодовитости. У некоторых клонов это разнообразие бывает больше, чем в генетически разнородных популяциях.

Анализ показал, что эта ранее не известная изменчивость есть следствие ошибок в построении отдельных органов и в итоге - всего организма. Конечные клоны практически никогда не соответствуют исходному оригиналу, т.е. генотипу. Возникающие ошибки в построении органов носят случайный характер, но общее их число зависит от жизнеспособности организма особи, которая обусловлена качеством наследственности, способом размножения (естественным, искусственным) и условиями среды обитания. И чем эти обусловленности лучше, тем меньше ошибок, отличающих клона от оригинала. В силу случайности, в генетически идентичных организмах возникает разное число ошибок, стимулирующее разнообразие. Такая изменчивость была названа дефекто-онтогенетической, которая существенна не только в клональном потомстве, но и в обычном, полученным естественным путем полового размножения.

Ее приходится учитывать в аналитических и экспериментальных исследованиях по клонированию, что позволяет для целого ряда явлений получить в итоге более верное толкование.

Насколько же велико влияние этой изменчивости на повторяемость родительских свойств в их генетических копиях?

Ученые, занимавшиеся клонированием, пришли к таким выводам: “У большинства родителей и их копий всегда накапливается некоторое среднее число ошибок. Если оно не большое, то клоны достаточно точно повторяют своих оригиналов, но не полностью. Если же у “мамы” клонов в течение развития (онтогенеза) возникло довольно много ошибок, то депрессированные ими свойства у потомков окажутся в среднем лучше, чем у родителя, и, наоборот, у "малоошибочных" родителей копии будут хуже по “качеству”. Также и онтогенез потомков самих клонов будет сопровождаться дополнительными ошибками, число которых и степень их вредности сформирует среди копий еще большее разнообразие. Таким образом, отдельные особи каждого следующего поколения клонов всегда больше и больше отдаляются от оригинала. О чем это говорит?

Только о том, что сами сторонники клонирования подтверждают тот факт, что ни при каких условиях не удастся сохранить точную копию оригинала, причем с течением времени эта точность идентичности всегда будет ухудшаться. Детали этого процесса можно легко проанализировать.

Общеизвестно, что животный мир разделен на две группы: у одной группы женский пол определяется наличием в генотипе двух одинаковых половых хромосом (ХХ), а мужской - разных (ХY). Другая группа, наоборот, наделяет самок хромосомной формулой ХY, а самцов - ХХ. К первой группе принадлежат люди, млекопитающие и ряд других менее высокоразвитых животных, например, та самая мушка дрозофила, по примерам потомства которой изучают биологию в школе и азы генетики в вузах. Ко второй группе относятся некоторые виды бабочек, в том числе и бабочка тутового шелкопряда.

Других вариантов строения систем воспроизводства животные (кроме простейших) не имеют.

Следовательно, при клонировании будет соблюдена примерно следующая схема:

Здесь А, B, C, D, E, F - факторы внешней среды (мутационные компоненты), влияющие на изменение генома, которые различны по свойствам.

Как видно, чем больше мы получаем поколений клонов, тем больше факторов изменений вносим.

Если считать, что А, B, C, D, E, F - положительные факторы, то все будет замечательно. Но, не бывает такого чтобы живое существо, существуя на нашей планете, получало только положительные изменения.

Статистика селекционного отбора упрямо говорит, что будет очень хорошо, если из 100 скрещиваний получится 1 особь со всеми хорошими компонентами генома.

Следовательно, А, B, C, D, E, F на 99% - факторы отрицательных воздействий. Например, А - склонность к ожирению, B - ослабляет иммунитет, C - повышает склонность к онкологическим заболеваниям, и т.д. и т.п. для D, E и F…

Вполне очевидно, что через 10 поколений, от “идеальных” показателей таких клонов, что были у “оригинала” не останется и следа. Вернее, они останутся, но в месте с ними будет такой букет болезней и других недостатков, что последние поколения клонов начнут умирать еще при рождении.

А что происходит, при размножении естественным путем в природе?

Это можно видеть на следующей схеме: