Носитель генетической информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Носитель генетической информации

1. Структура ДНК

наследственный нуклеотид генетический клонирование

Хранение и передачу наследственной информации в живых организмах обеспечивают природные органические полимеры -- нуклеиновые кислоты. Различают их две разновидности -- дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). В состав ДНК входят азотистые основания (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц)), дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄ и остаток фосфорной кислоты. В состав РНК вместо тимина входит урацил (У), а вместо дезоксирибозы -- рибоза (С5Н10О5). Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, которые состоят из азотистых, пуриновых (аденин и гуанин) и пиримидиновых (урацил, тимин и цитозин) оснований, остатка фосфорной кислоты и углеводов (рибозы и дезоксирибозы).

Молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра клетки живых организмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокариотных клетках и во многих вирусах. По своей структуре молекула ДНК похожа на двойную спираль. Структурная модель ДНК в виде двойной спирали впервые предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком (р. 1916), удостоенными вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоном (р. 1916), получившим рентгенограмму ДНК, Нобелевской премии 1962 г.

Нуклеотиды соединяются в цепь посредством ковалентнйх связей. Образованные таким образом цепи нуклеотидов объединяется в одну молекулу ДНК по всей длине водородными связями: адениновый нуклео-тид одной цепи соединяется с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый -- с цитозиновым. При этом аденин всегда распознает только тимин и связывается с ним и наоборот. Подобную пару образуют гуанин и цитозин. Такие пары оснований, как и нуклеотиды, называются комплементарными, а сам принцип формирования двухцепочной молекулы ДНК -- принципом комплементарности. Число нуклеотидных пар, например, в организме человека составляет 3 -- 3,5 млрд.

ДНК -- материальный носитель наследственной информации, которая кодируется последовательностью нуклеотидов. Расположение четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах белка, т.е. их первичную структуру. От набора белков зависят свойства клеток и индивидуальные признаки организмов. Определенное сочетание нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК образуют генетический код. Ген (от греч. genos -- род, происхождение) -- единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК, определяющий структуру одной молекулы белка. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется геномом, а генетическая конституция организма (совокупность всех его генов) -- генотипом. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, а следовательно, в генотипе приводит к наследственным изменениям в организме -- мутациям.

Генетический код обладает удивительными свойствами. Главное из них -- триплетность: одна аминокислота кодируется тремя рядом расположенными нуклеотидами -- триплетом, называемым кодоном. При этом каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Другое не менее важное свойство -- код един для всего живого на Земле. Это свойство генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.

Для молекул ДНК характерно важное свойство удвоения -- образования двух одинаковых двойных спиралей, каждая из которых идентична исходной молекуле. Такой процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией. Репликация включает в себя разрыв старых и формирование новых водородных связей, объединяющих цепи нуклеотидов. В начале репликации две старые цепи начинают раскручиваться и отделяться друг от друга. Затем по принципу комплементарности к двум старым цепям пристраиваются новые. Так образуются две идентичные двойные спирали. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передает ее по наследству от поколения к поколению.

Генетические свойства.

Накануне открытия структуры молекулы ДНК известные биологи считали, что вторгнуться в наследственный аппарат, а тем более манипулировать с ним наука сможет лишь в XXI в. Однако, несмотря на сложность структуры и свойств наследственного материала, уже в конце XX в. родилась новая отрасль молекулярной биологии и генетики -- генная инженерия, основная задача которой заключается в конструировании новых, не существующих в природе сочетаний генов. В последнее время эта отрасль называется генной технологией. Она открывает возможности выведения новых сортов культурных растений и высокопродуктивных пород животных, создания эффективных лекарственных препаратов и т.д.

Проведенные в последнее время исследования показали, что наследственный материал не стареет. Генетический анализ эффективен даже в том случае, когда молекулы ДНК принадлежат весьма далеким друг от друга поколениям. Сравнительно недавно была поставлена задача определить, кому принадлежат останки, найденные в захоронении под Екатеринбургом. Царской ли семье, расстрелянной в этом городе в 1918 г.? Или слепой случай собрал в одну могилу такое же число мужских и женских останков? Ведь в годы гражданской войны погибли миллионы... Образцы останков были отправлены в английский Центр судебно-медицинской экспертизы -- там уже накоплен большой опыт генного анализа. Из костной ткани исследователи выделили молекулы ДНК и провели анализ. С точностью 99% установлено: в исследуемой группе находятся останки отца, матери и их трех дочерей. Но может быть, это не царская семья? Предстояло доказать родство найденных останков с членами английского королевского дома, с которым Романовы связаны довольно близкими родственными узами. Анализ подтвердил Родство погибших с английским королевским домом, и служба судебно-медицинской экспертизы сделала заключение: найденные под Екатринбургом останки принадлежат царской семье Романовых.

Одно из чудес природы -- неповторимая индивидуальность каждого живущего на Земле человека. «Не сравнивай -- живущий несравним», - писал О. Мандельштам. Ученым долгое время не удавалось найти ключ к разгадке индивидуальности человека. Сейчас известно, что вся информация о строении и развитии живого организма «записана» в его геноме. Генетический код, например, окраски глаз человека отличается от генетического кода окраски глаз кролика, но у разных людей он имеет одинаковую структуру и состоит из одних и тех же последовательностей ДНК.

Ученые наблюдают огромное разнообразие белков, из которых построены живые организмы, и удивительное однообразие кодирующих их генов. Разумеется, в геноме каждого человека должны быть какие-то области, определяющие его индивидуальность. Долгий поиск увенчался успехом -- в 1985 г. в геноме человека обнаружены особые сверхизменчивые участки -- мини-сателлиты. Они оказались настолько индивидуальны у каждого человека, что с их помощью удалось получить своеобразный «портрет» его ДНК, точнее, определенных генов. Как же выглядит этот «портрет»? Это сложное сочетание темных и светлых полос, похожее на слегка размытый спектр, или на клавиатуру из темных и светлых клавиш разной толщины. Такое сочетание полос называют ДНК-отпечатками по аналогии с отпечатками пальцев.

С помощью отпечатков ДНК можно провести идентификацию личности гораздо более точную, чем это позволяют сделать традиционные методы отпечатков пальцев и анализ крови. Причем ответ генной экспертизы исключает слово «возможно». Вероятность ошибки чрезвычайно мала. Таким эффективным методом экспертизы уже пользуются криминалисты. С помощью ДНК-отпечатков можно расследовать преступления не только настоящего времени, но и далекого прошлого. Генная экспертиза по установлению отцовства -- наиболее частый повод обращения судебных органов к генетической дактилоскопии. В судебные учреждения обращаются мужчины, сомневающиеся в своем отцовстве, и женщины, желающие получить развод на основании того, что их муж не отец ребенка. Идентификацию материнства можно проводить по отпечаткам ДНК матери и ребенка в отсутствие отца, и наоборот, для установления отцовства достаточно ДНК-отпечатков отца и ребенка. Генетиков всего мира интересуют сейчас прикладные аспекты генетической дактилоскопии. Обсуждаются вопросы паспортизации по отпечаткам ДНК преступников-рецидивистов, введения в картотеки следственных органов данных об отпечатках ДНК наряду с описанием внешности, особых примет, отпечатков пальцев.

2. Современные биотехнологии

Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. На их базе освоено массовое производство искусственных белков, питательных и многих других веществ. Успешно развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т.п. С применением генных технологий и естественных биоорганических материалов синтезируются биологически активные вещества -- гормональные препараты и соединения, стимулирующие иммунитет.

Для увеличения производства продуктов питания нужны искусственные вещества, содержащие белки, необходимые для жизнедеятельности живых организмов. Благодаря важнейшим достижениям биотехнологии в настоящее время производится множество искусственных питательных веществ, по многим Свойствам превосходящих продукты естественного происхождения.

Современная биотехнология позволяет превратить отходы древесины, соломы и другое растительное сырье в ценные питательные белки. Она включает процесс гидролизации промежуточного продукта -- целлюлозы -- и нейтрализацию образующейся глюкозы с введением солей. Полученный раствор глюкозы представляет собой питательный субстрат микроорганизмов -- дрожжевых грибков. В результате жизнедеятельности микроорганизмов образуется светло-коричневый порошок -- высококачественный пищевой продукт, содержащий около 50% белка-сырца и различные витамины. Питательной средой для дрожжевых грибков могут служить и такие содержащие сахар растворы, как паточная барда и сульфитный щелок, образующийся при производстве целлюлозы.

Некоторые виды грибков превращают нефть, мазут и природный газ в пищевую биомассу, богатую белками. Так, из 100 т неочищенного мазута можно получить 10 т дрожжевой биомассы, содержащей 5 т чистого белка и 90 т дизельного топлива. Столько же дрожжей производится из 50 т сухой древесины или 30 тыс. м³ природного газа. Для производства данного количества белка потребовалось бы стадо коров из 10 000 голов, а для их содержания нужны огромные площади пахотных земель. Промышленное производство белков полностью автоматизировано, и дрожжевые культуры растут в тысячи раз быстрее, чем крупный рогатый скот. Одна тонна пищевых дрожжей позволяет получить около 800 кг свинины, 1,5--2,5 т птицы или 15--30 тыс. яиц и сэкономить при этом до 5 т зерна.

Некоторые виды биотехнологий включают процессы брожения. Спиртовое брожение известно еще в каменном веке -- в древнем Вавилоне варили около 20 сортов пива. Много столетий назад началось массовое производство алкогольных напитков. Еще одно важное достижение в микробиологии -- разработка в 1947 г. пенициллина. Двумя годами позже на основе глутаминовой кислоты путем биосинтеза впервые получены аминокислоты. К настоящему времени налажено производство антибиотиков, витаминно-белковых добавок к продуктам питания, стимуляторов роста, бактериологических удобрений, средств защиты растений и др.

С использованием рекомбинантных ДНК удалось синтезировать ферменты и тем самым расширить их область применения в биотехнологии. Появилась возможность производить множество ферментов при сравнительно невысокой их себестоимости. Под воздействием искусственных ферментов кукурузный крахмал превращается в глюкозу, которая затем преобразуется в фруктозу. Так, в США ежегодно производится более 2 млн. т кукурузной патоки с высоким содержанием фруктозы. Процесс ферментации применяется в производстве этилового спирта. Кукурузный и пшеничный крахмал и сахар вполне пригодны для ферментации. Они легко превращаются в глюкозу. Известны микроорганизмы, перерабатывающие глюкозу во многие полезные химические продукты. Однако чаще такое растительное сырье потребляется в качестве пищевых продуктов. Для ферментации можно использовать биомассу в виде отходов сельского и лесного хозяйств. Однако она содержит лигнин, препятствующий биокаталитическому расщеплению и ферментации целлюлозных компонентов. Поэтому природную биомассу необходимо предварительно очистить от лигнина.

Дальнейшее развитие биотехнологий связано с модификацией генетического аппарата живых систем.

3. Генные технологии

Генные технологии основаны на методах молекулярной биологии и генетики, связанных с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генные технологии зарождались в начале 70-х годов XX в. как методы рекомбинантных ДНК, названные генной инженерией. Основная операция генной технологии заключается в извлечении из клеток организма гена, кодирующего нужный продукт, или группы генов и соединение их с молекулами ДНК, способными размножаться в клетках другого организма. На начальной стадии развития генных технологий был получен ряд биологически активных соединений -- инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяют химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем биотехнологии, медицины и сельского хозяйства.

Основная цель генных технологий -- видоизменить ДНК, закодировав ее для производства белка с заданными свойствами. Современные экспериментальные методы позволяют анализировать и идентифицировать фрагменты ДНК и генетически видоизмененной клетки, в которые введена нужная ДНК. Над биологическими объектами осуществляются Целенаправленные химические операции, что и составляет основу генных технологий.

Генные технологии привели к разработке современных методов анализа генов и геномов, а они, в свою очередь, -- к синтезу, т.е. к конструированию новых, генетически модифицированных микроорганизмов. К настоящему времени установлены нуклеотидные последовательности разных микроорганизмов, включая промышленные штаммы, и те, которые нужны для исследования принципов организации геномов и для понимания механизмов эволюции микробов. Промышленные микробиологи, в свою очередь, убеждены, что знание нуклеотидных последовательностей геномов промышленных штаммов позволит «программировать» их на то, чтобы они приносили большой доход.

Клонирование эукариотных (ядерных) генов в микробах и есть тот принципиальный метод, который привел к бурному развитию микробиологии. Фрагменты геномов животных и растений для их анализа клонируют именно в микроорганизмах. Для этого в качестве молекулярных векторов -- переносчиков генов -- используют искусственно созданные плазмиды, а также множество других молекулярных образований для выделения и клонирования.

С помощью молекулярных проб (фрагментов ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов) можно определять, скажем, заражена ли донорская кровь вирусом СПИДа. А генные технологии для идентификации некоторых микробов позволяют следить за их распространением, например, внутри больницы или при эпидемиях.

Генные технологии производства вакцин развиваются в двух основных направлениях. Первое -- улучшение уже существующих вакцин и создание комбинированной вакцины, т.е. состоящей из нескольких вакцин. Второе направление -- получение вакцин против болезней: СПИДа, малярии, язвенной болезни желудка и др.

За последние годы генные технологии значительно улучшили эффективность традиционных штаммов-продуцентов. Например, у грибного штамма-продуцента антибиотика цефалоспорина увеличили число генов, кодирующих экспандазу, активность которой задает скорость синтеза цефалоспорина. В итоге выработка антибиотика возросла на 15--40%.

Проводится целенаправленная работа по генетической модификации свойств микробов, используемых в производстве хлеба, сыроварении, молочной промышленности, пивоварении и виноделии, чтобы увеличить устойчивость производственных штаммов, повысить их конкурентоспособность по отношению к вредным бактериям и улучшить качество конечного продукта.

Генетически модифицированные микробы приносят пользу в борьбе с вредными вирусами и микробами и насекомыми. Вот примеры. В результате модификации тех или иных растений можно повысить их устойчивость к инфекционным болезням. Так, в Китае устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец выращивают уже на больших площадях. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам.

В настоящее время трансгенные растения промышленно выращиваются в США, Аргентине, Канаде, Австрии, Китае, Испании, Франции и Других странах. С каждым годом увеличиваются площади под трансгенными растениями. Особенно важно использовать трансгенные растения в странах Азии и Африки, где наиболее велики потери урожая от сорняков, болезней и вредителей и в то же время больше всего не хватает продовольствия.

Не приведет ли широкое внедрение в практику генных технологий к появлению еще не известных эпидемиологам заболеваний и других нежелательных последствий? Практика показывает, что генные технологии с начала их развития по сей день, т.е. в течение более 30 лет, не принесли ни одного отрицательного последствия. Более того, оказалось, что все рекомбинантные микроорганизмы, как правило, менее вирулентны, т.е. менее болезнетворны, чем их исходные формы. Однако биологические феномены таковы, что о них никогда нельзя с уверенностью сказать: этого никогда не случится. Более правильно говорить так: вероятность того, что это случится, очень мала. И тут как безусловно положительное важно отметить, что все виды работ с микроорганизмами строго регламентированы, и цель такой регламентации -- уменьшить вероятность распространения инфекционных агентов. Трансгенные штаммы не должны содержать генов, которые после их переноса в другие бактерии смогут дать опасный эффект.

4. Проблема клонирования

Родился ягненок, генетически неотличимый от особи, давшей соматическую клетку. Может быть, соматическая клетка человека способна породить новый полноценный организм. Клонирование человека -- это шанс иметь детей для тех, кто страдает бесплодием; это банки клеток и тканей, запасные органы взамен тех, что приходят в негодность; наконец, это возможность передать потомству не половину своих генов, а весь геном -- воспроизвести ребенка, который будет копией одного из родителей. Вместе с тем остается открытым вопрос о правовом и нравственном аспекте данных возможностей. Подобного рода доводами в 1997--1998 гг. были переполнены различные источники массовой информации во многих странах.

По принятому в науке определению, клонирование -- это точное воспроизведение того или иного живого объекта в каком-то количестве копий. Воспроизведенные копии обладают идентичной наследственной информацией, т.е. имеют одинаковый набор генов.

В ряде случаев клонирование живого организма не вызывает особого удивления и относится к отработанной процедуре, хотя и не такой уж простой. Генетики получают клоны, когда используемые ими объекты размножаются посредством партеногенеза -- бесполым путем, без предшествующего оплодотворения. Естественно, те особи, которые развиваются из той или иной исходной половой клетки, будут в генетическом отношении одинаковыми и могут составить клон. В нашей стране блестящие работы по подобному клонированию выполняют на шелкопряде доведенные клоны шелкопряда отличаются высокой продуктивностью по выработке шелка и славятся на весь мир.

Однако речь идет о другом клонировании -- о получении точных копий, например коровы с рекордным надоем молока или гениального человека. Вот при таком клонировании и возникают весьма и весьма большие сложности.

Еще в далекие 40-е годы XX в. российский эмбриолог Г.В. Лопашов разработал метод пересадки (трансплантации) ядер в яйцеклетку лягушки. В июне 1948 г. он отправил в «Журнал общей биологии» статью, написанную по материалам своих экспериментов. Однако на его беду в августе 1948 г. состоялась печально известная сессия ВАСХНИЛ, по воле партии утвердившая беспредельное господство в биологии Трофима Лысенко (1898--1976), и набор статьи Лопашова, принятой к печати, был рассыпан, поскольку она доказывала ведущую роль ядра и содержащихся в нем хромосом в индивидуальном развитии организмов. Работу Лопашова забыли, а в 50-е годы XX в. американские эмбриологи Бриггс и Кинг выполнили сходные опыты, и приоритет достался им, как часто случалось в истории российской науки.

В феврале 1997 г. сообщалось о том, что в лаборатории шотландского ученого Яна Вильмута в Рослинском институте (Эдинбург) разработан эффективный метод клонирования млекопитающих и на его основе родилась овца Долли. Говоря доступным языком, овца Долли не имеет отца -- ей дала начало клетка матери, содержащая двойной набор генов. Известно, соматические клетки взрослых организмов содержат полный набор генов, а половые клетки -- только половину. При зачатии обе половины -- отцовская и материнская -- соединяется и рождается новый организм.

Как же производился опыт в лаборатории Яна Вильмута? Вначале выделялись ооциты, т.е. яйцеклетки. Их извлекли из овцы породы Шотландская черномордая, затем поместили в искусственную питательную среду с добавлением эмбриональной телячьей сыворотки при температуре 37 °С и провели операцию энуклеации -- удаления собственных ядер. Следующая операция заключалась в обеспечении яйцеклетки генетической информацией от организма, который надлежало клонировать. Для этого наиболее удобными оказались диплоидные клетки донора, т.е. клетки, несущие полный генетический набор, которые были взяты из молочной железы взрослой беременной овцы. Из 236 опытов успешным оказался лишь один -- и родилась овечка Долли, несущая генетический материал взрослой овцы. После этого в различных средствах информации стала обсуждаться проблема клонирования человека.

Некоторые ученые считают, что фактически невозможно возвратить изменившиеся ядра соматических клеток в исходное состояние, чтобы они могли обеспечить нормальное развитие той яйцеклетки, в которую их трансплантировали, и на выходе дать точную копию донора. Но даже если все проблемы удастся решить и все трудности преодолеть (хотя это маловероятно), клонирование человека нельзя считать научно обоснованным. Действительно, допустим, что трансплантировали развивающиеся яйцеклетки с чужеродными донорскими ядрами нескольким тысячам приемных матерей. Именно нескольким тысячам: процент выхода низкий, а повысить его, скорее всего, не удастся. И все это для того, чтобы получить хотя бы одну-единственную рожденную живую копию какого-то человека, пусть даже гения. А что будет с остальными зародышами? Ведь большая их часть погибнет в утробе матери или разовьется в уродов. Представляете себе -- тысячи искусственно полученных уродов! Это было бы преступлением, поэтому вполне естественно ожидать принятия закона, запрещающего такого рода исследования как в высшей степени аморальные. Что касается млекопитающих, то рациональнее проводить исследования по выведению трансгенных пород животных, генотерапии и т.п.

Заключение

Природа как объект изучения естествознания сложна и многообразна в своих проявлениях: она непрерывно изменяется и находится в постоянном движении. Круг знаний о ней становится все шире, и область сопряжения его с безграничным полем незнания превращается в громадное размытое кольцо, усеянное научными идеями -- зернами естествознания. Некоторые из них своими ростками пробьются в круг классических знаний и дадут жизнь новым идеям, новым естественно - научным концепциям, другие же останутся лишь в истории развития науки. Их сменят затем более совершенные. Такова диалектика развития естественно - научного познания окружающего мира.

Размещено на Allbest.ru