Генетическая инженерия. Перспективы применения для получения новых продуцентов биологически активных веществ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский медицинский университет «Реавиз»

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Биотехнология»

«Генетическая инженерия. Перспективы применения для получения новых продуцентов биологически активных веществ»

Выполнил Гуднин Евгений

г. Москва, 2017г.

Содержание

Введение

Цели и задачи генной инженерии

Строение и функции молекулы ДНК

Методы генной инженерии

Перспективы применения для получения новых продуцентов биологически активных веществ

Заключение

Список литературы

Введение

Генная инженерия - совокупность методов, позволяющих путём операций in vitro (в пробирке) переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов даёт возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать наследственные признаки одних организмов другим. Генетическая инженерия - удивительное явление в науке, когда разработка новой методологии даёт мощный импульс развитию нашего понимания окружающей природы, её сокровенных глубин.

После открытия ДНК как носителя генетической информации прямые манипуляции с генетическим материалом оказались в центре внимания исследователей, особенно после того как стали известны структурные детали генов и соответствующие им функции. Биохимические средства точного расчленения и воссоединения молекул ДНК сделали возможным манипулирование генами с перераспределением генов из одного источника в другой. Генно-инженерные исследования вносят уникальный вклад в изучение структурно-функциональной организации геномов различных организмов. Методы генетической инженерии постоянно совершенствуются, и всё больше исследователей используют её при расширении самых разных задач биологии.

В настоящее время генная инженерия развивается как наука. Открытия в этой области помогли многим людям избавиться от своих болезней, созданы новые сорта растений.

Генетическая инженерия занимает почётное место в перечне наук, а её открытия играют важную роль в жизни многих людей. Эта наука и её достижения сейчас очень актуальны, так как люди сегодня подвержены заболеваниям различного рода и нуждаются в эффективных лечебных препаратах. Различные сферы деятельности современного человека так или иначе связаны с генетической инженерией: медицина, сельское хозяйство, промышленность.

Цель данного реферата - раскрыть сущность генной инженерии, описать её основные методы и достижения.

Цели и задачи генной инженерии

Генетическую инженерию составляет система экспериментальных приёмов, позволяющих конструировать лабораторным путём искусственные генетические структуры в виде так называемых рекомбинативных молекул ДНК. Суть генетической инженерии сводится к перемещению отдельных генов из одного генетического окружения в другое, что приводит к различным фенотипическим изменениям клетки.

Цель генной инженерии - получение клеток (в первую очередь бактериальных), способных в промышленных масштабах нарабатывать некоторые белки, свойственные человеку. Достижение этой цели поможет избавить человечество от многих болезней, от которых в настоящее время нет лекарств. Этот процесс уже начался и принёс первые положительные результаты.

Технология клонирования открывает возможности, которые представлялись немыслимыми всего лишь несколько лет назад. С критической точки зрения эксперименты такого типа поднимают вопросы этического плана и вопросы о возможном спектре манипуляций с генами человека. С помощью клонирования можно получить более миллиона копий любого фрагмента ДНК человека или другого высшего организма. Это позволяет изучить первичную структуру клонированного фрагмента, что приближает нас к пониманию организации структуры хромосомы. Если клонированный фрагмент кодирует белок, то экспериментально можно изучить механизм регулирующий транскрипцию этого гена, а также наработать нужный белок в том количестве, которое требуется для медицинских или исследовательских целей. Кроме того, клонированный участок ДНК одного организма можно ввести в клетки другого организма. Уже предпринимаются попытки вводить в те или иные культурные растения гены, обеспечивающие устойчивость к ряду болезней. Не за горами вмешательство в наследственную программу, полученную ребёнком от родителя. Станет возможным введение в зародыш на ранних этапах его развития каких-либо недостающих генов и тем самым избавление людей от страданий, вызываемых генетическими болезнями.

Сегодня накапливаются клонированные фрагменты ДНК человека, ряда сельскохозяйственных животных и растений. Коллекцию разных клонов называют клонотекой, геномной библиотекой или банком генов. Для полной библиотеки генома человека требуется получить около 800 тысяч разных клонов. Процесс выделения и клонирования генов в значительной степени автоматизирован.

Достижение всех этих возможных перспектив и является задачей генной инженерии.

Строение и функции молекулы ДНК

Главным объектом генно-инженерного воздействия является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК является полимером нуклеотидов. Нуклеотид состоит из трёх компонентов: пуринового или пиримидинового основания, пятиуглеродного циклического сахара, с которым основание связано одним из своих атомов азота N-гликозидной связью (образуется нуклеозид), и фосфата, связанного эфирной связью с углеродом сахара. К этим основаниям относятся два пурина (Pu) - аденин (А) и гуанин (G) - и два пиримидина (Py) - тимин (Т) и цитозин (С).

Характерной особенностью ДНК является то, что её молекула состоит из двух полимерных цепей, закрученных в двойную спираль. Каждая цепь - это регулярный полимер, в котором остатки сахара двух соседних нуклеотидов связаны при помощи фосфатных групп. В образовании этой связи всегда принимают участие 5-фосфат одного нуклеотида и 3-гидроксил остатка сахара другого. Поэтому углеводно-фосфатный остов молекулы имеет регулярную структуру. Каждая молекула ДНК характеризуется особой последовательностью пуриновых и пиримидиновых оснований.

Пуриновые и пиримидиновые основания обращены внутрь двойной спирали и расположены параллельно друг другу и перпендикулярно оси спирали. Две цепи удерживаются вместе при помощи водородных связей между парами оснований. Аденин всегда спаривается с тимином, а гуанин - с цитозином. Строгая специфичность спаривания обуславливает комплементарность, то есть взаимное соответствие последовательностей оснований в двух цепях. При этом полинуклеотидные цепи в двойной спирали ДНК отличаются одна от другой как последовательностью оснований, так и нуклеотидным составом. По своему химическому строению две цепи молекулы ДНК ориентированы противоположно (антипараллельные).

Важным свойством ДНК является то, что 3,5-фосфодиэфирная связь углеводно-фосфатного остова молекулы наиболее чувствительна как к химическому, так и к ферментативному расщеплению.

Для функционирования ДНК в процессах репликации и транскрипции большое значение имеет возможность лёгкого расхождения цепей при определённом воздействии и их последующего воссоединения. Когда водородные связи между основаниями разрываются, цепи, образующие двухцепочную молекулу ДНК, расходятся. Денатурацию ДНК (плавление вторичной структуры) можно осуществить в растворе, увеличивая его температуру либо изменяя pH. Стабильность двухцепочного комплекса зависит от того, сколько он содержит GC-пар, связанных тремя водородными связями (АТ-пара соединена двумя водородными связями). Чем выше молярное содержание GC-пар, тем выше температура или pH, при которых происходит плавление.

Денатурация обратима даже после полного разделения двух цепей. Если инкубировать комплементарные цепи при температуре примерно 25оС ниже температуры плавления исходного дуплекса, то они начинают реассоциировать и при отдельных условиях образуют исходную спираль. Этот процесс называется ренатурацией или отжигом.

Ренатурация ДНК осуществляется в два этапа. Сначала в результате случайных столкновений одноцепочных молекул происходит правильное соединение коротких комплементарных отрезков. После образования таких двухцепочечных структур идёт быстрое «схлопывание» по всей длине и восстановление исходной двуспиральной молекулы ДНК.

Транскрипция, то есть считывание с молекулы ДНК матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК), соответствующей определённому гену, осуществляется ферментом РНК-полимеразой. При этом первоначально РНК-полимераза взаимодействует с определённым районом ДНК, предшествующим кодирующей последовательности гена, - промотором. Связавшись с промотором, РНК-полимераза начинает перемещаться вдоль гена, синтезируя мРНК, комплементарную одной из цепей ДНК. Синтез мРНК происходит в направлении 5-3. Начало гена поэтому называют 5-концом, а конец гена, где происходит окончание транскрипции, - 3-концом. РНК-полимераза движется по кодирующей цепи ДЕН в направлении от 3-конца к 5-концу. По последовательности мРНК соответствует цепи ДНК, комплементарной кодирующей цепи (отличие состоит лишь в том, что в молекуле РНК вместо тимина находится урацил). Поэтому на практике очень часто записывают последовательность только одной этой цепи ДНК, что значительно облегчает восприятие структуры генетических элементов, так как 5- и 3-концам мРНК, а последовательность нуклеотидов цепи ДНК соответствует последовательности мРНК.

По мере своего перемещения РНК-полимераза расплетает и затем вновь заплетает последовательные короткие участки ДНК. Двухцепочечные гибриды РНК-ДНК, образующиеся в процессе транскрипции, существуют лишь очень непродолжительное время. Новосинтезированные цепи РНК быстро отделяются от транскрипционного комплекса, после чего транскрибированные участки ДНК возвращаются в нативное состояние.

Трансляция с мРНК белковой молекулы происходит последовательно, начиная с 5-конца матрицы. Первую аминокислоту белковой цепи называют Т-концом (или амино-концом), а последнюю - С-концом (или корбокси-концом).

Методы генной инженерии

Генетическая инженерия - конструирование in vitro функционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК), или иначе - создание искусственных генетических программ. По Э. С. Пирузян генетическая инженерия - система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать лабораторным путем (в пробирке) искусственные генетические структуры в виде так называемых рекомбинантных или гибридных молекул ДНК.

Генетическая инженерия - получение новых комбинаций генетического материала путем проводимых вне клетки манипуляций с молекулами нуклеиновых кислот и переноса созданных конструкций генов в живой организм, в результате которого достигается их включение и активность в этом организме и у его потомства. Речь идет о направленном, по заранее заданной программе конструировании молекулярных генетических систем вне организма с последующим введением их в живой организм. При этом рекомбинантные ДНК становятся составной частью генетического аппарата рецепиентного организма и сообщают ему новые уникальные генетические, биохимические, а затем и физиологические свойства.

Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека. Например, получение «биологических реакторов» - микроорганизмов, растений и животных, продуцирующих фармакологически значимые для человека вещества, создание сортов растений и пород животных с определёнными ценными для человека признаками. Методы генной инженерии позволяют провести генетическую паспортизацию, диагностировать генетические заболевания, создавать ДНК-вакцины, проводить генотерапию различных заболеваний.

Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:

- специфическое расщепление ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами;

- быстрое секвенирование всех нуклеотидов очищенном фрагменте ДНК, что позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им;

- конструирование рекомбинантной ДНК;

- гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические последовательности РНК или ДНК с большей точностью и чувствительностью, основанную на их способности связывать комплементарные последовательности нуклеиновых кислот;

- клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;

- введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы.

генетический биологический активный

Перспективы применения для получения новых продуцентов биологически активных веществ

Сегодня человечество совершенно справедливо полагает, что биотехнологические науки занимают приоритет в области современных высоких технологий. Сиквенирование геномов и валидация новых мишеней для действия лекарственных соединений является одним из перспективных направлений современной фармакологии. Учитывая, что появились новые принципиальные возможности для сиквенирования, встает вопрос о генетической паспортизации населения, когда каждому будет выдан его генетический паспорт, и человек будет решать проблемы своего здоровья. Важнейшим достижением прошлого века являются стволовые клетки, что стало возможным благодаря развитию всей эмбриологии и цитологии. Это позволило подойти к разработке путей создания искусственных органов, получать новые вещества, специфически влияющие на органы-мишени.

На современном этапе развития биотехнологии большое внимание уделяется разработке подходов к созданию новых процессов в медицинской биотехнологии. Это различные методы модификации микроорганизмов, растений и животных, в т.ч. культивирование растительных клеток как источника получения новых веществ; конструирование молекул, нанотехнологии, компьютерное моделирование, биокаталитическая трансформация веществ и т.д.

Так, например, существуют многочисленные разработки лекарственных препаратов, созданных на основе морских организмов. Использование морских природных соединений в качестве основы лекарств - весьма перспективный путь создания новых фармацевтических препаратов, особенно методами биотехнологии. Коллекция морских микроорганизмов ТИБОХ, из которых можно продуцировать биологически-активные соединения, содержит 800 штаммов бактерий, актиномицетов и грибов. Эти штаммы можно культивировать, что важно для решения проблемы сохранения биологического равновесия.

Таким образом, в получении лекарственных препаратов, производимых биотехнологическим способом, можно выделить как бы два пула -- новые соединения, получаемые с помощью биотехнологических процессов, комбинаторной химии, и новые мишени, которые идентифицируются в процессе изучения геномов. Это дает возможность отбирать молекулы, обладающие новыми биологическими и физиологическими свойствами, которые и будут выполнять роль лекарств.

Прежде всего, обратимся к медицинской ветви биотехнологии. Рассматривая различные классы соединений, используемые в клинической практике, и получаемые методами биотехнологии, в первую очередь, необходимо назвать антибиотики - самый большой класс фармацевтических соединений, синтез которых осуществляется микробными клетками. К этому же классу относятся противогрибковые агенты, противоопухолевые лекарства и алкалоиды. Производство антибиотиков исчисляется тысячами тонн. Пенициллины, как известно, были выделены при выращивании грибов рода Penicillium. В 1945 г. из пробы морской воды была выделена плесень Cephalosporium acremonium, синтезирующую несколько антибиотиков; один из них, цефалоспорин С, оказался особенно эффективен против устойчивых к пенициллину грамположительных бактерий.

Из нескольких тысяч открытых антибиотиков львиная доля принадлежит актиномицетам. Среди актиномицетов наибольший вклад вносит род Streptomyces, один только вид Streptomyces griseus синтезирует более пятидесяти антибиотиков. Начиная с середины 1960-х гг. в связи с возросшей сложностью выделения эффективных антибиотиков и распространением устойчивости к наиболее широко применяемым соединениям у большого числа патогенных бактерий исследователи перешли от поиска новых антибиотиков к модификации структуры уже имеющихся. Они стремились повысить эффективность антибиотиков, найти защиту от инактивации ферментами устойчивых бактерий и улучшить фармакологические свойства препаратов. Антибиотики вырабатываются в результате совместного действия продуктов 10--30 генов, поэтому практически невозможно обнаружить отдельные спонтанные мутации, которые могли бы повысить выход антибиотика с нескольких миллиграммов на литр в штамме дикого типа до 20 г/л и более. Такие высокопродуктивные штаммы Penicillium chrysogenum или Streptomyces auerofaclens (продуценты пенициллина или тетрациклина) были получены в результате последовательных циклов мутагенеза и селекции. Определенные мутанты, так называемые идиотрофы, способны синтезировать только половину молекулы антибиотика, а среда должна быть обогащена другой ее половиной. Такая форма мутационного биосинтеза привела к открытию новых производных антибиотиков.

Число противоопухолевых веществ микробного происхождения довольно ограниченно. Блеомицин, выделенный из культур Streptomyces verticilliis, представляет собой гликопептид, который действует, разрывая ДНК опухолевых клеток и нарушая репликацию ДНК и РНК. Другая группа противоопухолевых агентов создана на основе комбинации аминогликозидной единицы и молекулы антрациклина. Недостатком обоих соединений является их потенциальная опасность для сердца.

Антибиотики используются грибами и актиномицетами в конкурентной борьбе в естественной среде обитания. Человек применил эти соединения для терапии инфекционных и онкологических заболеваний. Это явилось своеобразным толчком эволюционных преобразований в микробной среде, стали возникать устойчивые штаммы бактерий. В связи с этим вновь возникла проблема создания нового поколения более эффективных антибиотиков. В настоящее время протокол лечения инфекционной и хирургической патологии обязательно включает антибиотики. Но, имея неоспоримые преимущества, антибиотики оказывают на организм человека и негативное влияние: нарушается микрофлора желудочно-кишечного тракта, возможны осложнения в функционировании почек и печени, подавляется работа иммунной системы. Поэтому современные схемы лечения являются комплексными и направлены на поддержание адаптационных возможностей человека.

Новым направлением в медицине является использование ферментных препаратов типа «контейнер», изготовление которых стало возможным появлению и совершенствованию методов иммобилизации веществ. Эти препараты представляют собой микросферы с более или менее твердой и проницаемой оболочкой. Назначение этих лекарственных препаратов различное.

Первым типом «искусственных клеток» следует назвать микрокапсулы. Фермент, находящийся внутри оболочки, не контактирует с жидкостями и тканями организма, не разрушается протеиназами, не ингибируется, не вызывает иммунного ответа организма. Основное достоинство микрокапсул заключается в том, что их можно имплантировать в нужное место, например в непосредственной близости от опухоли. При этом микрокапсула с соответствующим содержанием будет перерабатывать метаболиты, необходимые для роста опухолевой ткани, и эта ткань не будет развиваться. Капсулы могут содержать микроскопические участки тканей. Известно, что терапии диабетических заболеваний уделяется много внимания. Имплантация лекарственного начала избавила бы пациентов от ежедневных инъекций инсулина.

Следует учитывать, что микрокапсулы, вводимые в кровь, могут забивать кровеносные сосуды и, следовательно, являться причиной образования тромбов. Однако эффективность микрокапсул при использовании их в виде колонок для диализа в аппарате «искусственная почка» несомненна. При этом объем аппаратов и, соответственно, количество необходимых и очень дорогих растворов резко сокращается.

В ряде случаев используются высокомолекулярные соединения, растворимые в определенных условиях и сохраняющие высокую прочность оболочек в других. Так ведет себя ацетилфталилцеллюлоза, микрокапсулы из которой интактны в желудочном соке и растворяются в кишечнике, освобождая содержимое. Сейчас интенсивно исследуются свойства микрокапсул, стенка которых состоит из оболочек эритроцитов. Содержимое эритроцитов удаляется, а «тень» заполняется ферментом. Серьезные успехи достигнуты при лечении аспарагин-зависимых опухолей препаратами аспарагиназы в оболочках эритроцитов. Используются оболочки и других клеток. Так, описаны лекарственные препараты, включенные в оболочки макрофагов. Последние имеют тенденцию накапливаться в очагах воспалений, а следовательно, могут транспортировать туда как низко-, так и высокомолекулярный лекарственный препарат. Существенной положительной стороной «теней» клеток в качестве носителя является их полная совместимость с организмом пациента, поскольку этот носитель готовят на основе клеток, выделенных из крови пациента, и возвращают их ему же с новым содержимым.

Другим важным классом лекарственных соединений являются генно инженерные ферменты, соответствующие ферментам человека. По сравнению с ферментами, которые получают из природного сырья, они обладают рядом преимуществ: низкой антигенностью, высокой специфичностью фармакологического действия, отсутствием контаминирующих инфекционных агентов. Генно-инженерные технологии позволяют легко увеличивать промышленное производство ферментов. Ферменты находят все более широкое применение как биокатализаторы в фармацевтическом производстве.

Заключение

Список литературы

1. Бекиш О. - Я.Л. Медицинская биология. - Мн.: Ураджай, 2000. - с.114-119.

2. Горелов. Концепции современного естествознания. - Москва, 2007

3. Жигалов Ю.И. Концепции современного естествознания - М.: Гелиос АРВ, 2002.

4. Заяц Р.С. Основы медицинской генетики. - Мн.: Высшая школа, 1998. - с. 60-65.

5. Мутовин Г.Р. Основы клинической генетики. - М.: Высшая школа, 1997. - с. 83-84.

6. Биология и медицина [Электронный ресурс] // Методы генной инженерии, [сайт]. URL: http:// medbiol.ru›medbiol/biology_sk/00032f3b.htm (дата обращения: 14.10.2014).

7. Генная инженерия [Электронный ресурс] // Интересные факты, [сайт]. URL: http:// biochemi.ru›chems-466-1.html (дата обращения: 14.10.2014).

8. Генная инженерия [Электронный ресурс] // Основные механизмы генной инженерии Технология рекомбинантной ДНК, [сайт]. URL: http://galaxy797.net›htech/nano/6/12.htm (дата обращения: 15.10.2014).

Размещено на Allbest.ru