Использование наследственности и изменчивости в биотехнологии доклад

Обновлено: 30.06.2024

Вступление. Биотехноло́гия — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в XX—XXI веках, но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и одомашненных животных путем искусственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.

Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах — химической и информационной технологиях и робототехнике.

История биотехнологии

Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф (биография) открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника). В 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.

В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты первые попытки наладить производство антибиотиков, пищевых концентратов, полученных из дрожжей, осуществить контроль ферментации продуктов растительного и животного происхождения.

Первый антибиотик — пенициллин — удалось выделить и очистить до приемлемого уровня в 1940 году, что дало новые задачи: поиск и налаживание промышленного производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня биобезопасности новых лекарственных препаратов.

Нужна помощь в написании доклада?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Помимо широкого применения в сельском хозяйстве, на основе генной инженерии возникла целая отрасль фармацевтической промышленности, называемая “индустрией ДНК” и представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии. Более четверти всех лекарств, используемых сейчас в мире, содержат ингредиенты из растений. Генно-модифицированные растения являются дешевым и безопасным источником для получения полностью функциональных лекарственных белков (антител, вакцин, ферментов и др.) как для человека, так и для животных. Примерами применения генной инженерии в медицине являются также производство человеческого инсулина путем использования генно-модифицированных бактерий, производство эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге. Физиологическая роль данного гормона состоит в регуляции продукции эритроцитов в зависимости от потребности организма в кислороде) в культуре клеток (т.е. вне организма человека) или новых пород экспериментальных мышей для научных исследований.

В XX веке в большинстве стран мира основные усилия медицины были направлены на борьбу с инфекционными заболеваниями, снижение младенческой смертности и увеличение средней продолжительности жизни. Страны с более развитой системой здравоохранения настолько преуспели на этом пути, что сочли возможным сместить акцент на лечение хронических заболеваний, болезней сердечно-сосудистой системы и онкологических заболеваний, поскольку именно эти группы болезней давали наибольший процент прироста смертности.

В настоящее время уже появились практические возможности значительно снизить или скорректировать негативное воздействие наследственных факторов. Медицинская генетика объяснила, что причиной многих генных мутаций является взаимодействие с неблагоприятными условиями среды, а, следовательно, решая экологические проблемы можно добиться снижения заболеваемости раком, аллергией, сердечно-сосудистыми заболеваниями, сахарным диабетом, психическими болезнями и даже некоторыми инфекционными заболеваниями. Вместе с тем, ученым удалось выявить гены, ответственные за проявление различных патологий и способствующие увеличению продолжительности жизни. При использовании методов медицинской генетики хорошие результаты получены при лечении 15% болезней, в отношении почти 50% заболеваний наблюдается существенное улучшение.

Таким образом, значительные достижения генетики позволили не только выйти на молекулярный уровень изучения генетических структур организма, но и вскрыть сущность многих серьезных болезней человека, вплотную подойти к генной терапии.

Клонирование – это один из методов, применяемых в биотехнологии для получения идентичных потомков при помощи бесполого размножения. Иначе клонирование можно определить как процесс изготовления генетически идентичных копий отдельной клетки или организма. То есть полученные в результате клонирования организмы похожи не только внешне, но и генетическая информация, заложенная в них, абсолютно одинакова.

Первым искусственно клонированным многоклеточным организмом стала в 1997 г. овца Долли. В 2007 году одного из создателей клонированной овцы Елизавета II наградила за это научное достижение рыцарским званием.

Достижения биотехнологии

Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека, а также трансгенные растения с генами других, неродственных видов. Например, в последние годы получено новое поколение трансгенных растений, для которых характерны такие ценные признаки, как устойчивость к гербицидам, к насекомым и др.

На сегодняшний день методы генной инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин, интерферон и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения ряда генетических болезней человека — сахарного диабета, некоторых видов злокачественных образований, карликовости,

Нужна помощь в написании доклада?

С помощью генетических методов были получены также штаммы микроогранизмов (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans и др.), которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов (С, В₃, В₁₃, и др.), чем исходные формы.

Очень важное направление клеточной инженерии связано с ранними стадиями эмбриогенеза. Например, оплодотворение яйцеклеток в пробирке уже сейчас позволяет преодолевать некоторые распространенные формы бесплодия у человека.

Культуру растительных клеток выгодно использовать для быстрого размножения медленно растущих растений — женьшеня, маслинной пальмы, малины, персиков и др.

Уже многие годы для решения проблемы загрязнения окружающей среды используются биологические методы, разработанные биотехнологами. Так, бактерии родов Rhodococcus и Nocardia с успехом применяют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти.

Лена:Почему люди не используют синтез белков вне клетки? Ведь так просто было бы найти нужную последовательность нуклеотидов, сделать целую бочку копий РНК, а потом синтезировать на них колбасу, молоко, необходимые лекарства. из органических отходов.

Миша:Ну, во-первых, ты забыла, что нужно и ещё кое-что: тРНК, рибосомы, набор аминокислот, энергия в виде АТФ. Во-вторых, это ступенчатый каталитический процесс, каждый этап которого нуждается в совершенно особых условиях, созданных в клетке благодаря компартментализации. В-третьих, проблему можно решить проще.

• О какой проблеме идёт речь? Сформулируйте тему урока и сравните с вариантом авторов на с. 397.

Необходимые базовые знания

• Где вы встречались с аббревиатурой “ГМО”? (жизненный опыт)

• Что вы читали или слышали о клонировании и генной инженерии из СМИ? (жизненный опыт)

XXI век - век биотехнологии

• На какие отрасли хозяйства распространились биологические технологии за последнее столетие?

Биотехнология— совокупность промышленных методов получения полезных для человека продуктов (пища, лекарства) с помощью живых организмов. Термин “биотехнология” получил широкое распространение с 70-х годов XX века. Однако использование механизмов биологических процессов в промышленном производстве началось давно. Ещё с незапамятных времён человечество использовало сельскохозяйственные растения и животных для производства пищи, и сырья, микроорганизмы в хлебопечении и виноделии, при производстве пива и в сыроварении. Но ещё 100 лет назад любая ферма мало напоминала промышленное производство: каждый член семьи хозяина фермы и небольшое число наёмных работников выполняли множество самых разнообразных функций, преобладал ручной труд, поэтому производительность труда была невелика.

Позже ситуация стала меняться. Механизация сельского хозяйства потребовала повышения квалификации работников, появление сложных сельскохозяйственных машин было рентабельным только при укрупнении хозяйства. В результате на смену фермам стали приходить фабрики по производству яиц и куриного мяса (птицефабрики), молока, мяса и т.п.

Биотехнология позволяет не только получать важные для человека продукты, например, мясо, антибиотики, этиловый спирт, кисломолочные продукты, но и создавать организмы с заранее заданными свойствами гораздо быстрее, чем с помощью традиционных методов селекции. Существуют биотехнологические процессы по очистке сточных вод, переработке отходов, удалению нефтяных пятен в водоёмах, получению биотоплива.

При сокращении запасов нефти в мире в качестве источника энергии может быть использовано биотопливо, получаемое в результате переработки в топливо семян рапса, кукурузы, сои, стеблей сахарного тростника (рис. 37.1). Сахарный тростник — важнейшее сырьё для производства биоэтанола, который в некоторых странах (Бразилия) является источником энергии (20%) для автомобилей.

37.1. Кукуруза - источник биотоплива

Появляющиеся биологические технологии открывают новые возможности по производству и переработке веществ и продуктов, но одновременно создают невиданные прежде социальные и этические проблемы.

• Что такое генная инженерия и как она помогает людям?

Подгенной инженериейпонимается целенаправленный перенос генов из клетки одного организма (донора) в клетку другого организма (реципиента). В результате возникаютгенетически модифицированные организмы (ГМО).Примерами живых существ с чуждыми для данного вида генами являются бактерии, несущие человеческий ген инсулина, карпы с геном роста форели, хлопок с геном бактерии, делающим его устойчивым к хлопковой совке.

С помощью генной инженерии можно улучшать сорта культурных растений и породы домашних животных; создавать новые лекарства, а прежние производить в больших количествах и гораздо дешевле, чем при традиционном фармацевтическом производстве; можно выявлять, предсказывать и лечить в наше время некоторые, а в будущем — многие наследственные болезни.

•В чём преимущество биотоплива по сравнению с продуктами переработки нефти?

Целью использования генной инженерии в селекции растений является повышение их урожайности, содержания витаминов и важных аминокислот, устойчивости к болезням, вредителям и гербицидам, холодо- и засухоустойчивости.

Среди животных наиболее известны генетически модифицированные карпы, набирающие вес со скоростью форели и достигающие очень крупных размеров. Широко используется кормление и лечение домашних животных генетически модифицированными продуктами. В странах Северной Америки используют генную инженерию и для производства гормонов роста домашних животных, но в Европе применение таких гормонов запрещено.

В пищевой промышленности генно-модифицированные организмы используются для производства пищевых добавок и ферментов, в частности для переработки мяса и молока, пивных культур и т.п.

Кроме упоминавшегося инсулина для диабетиков, с помощью генной инженерии получают интерферон, помогающий при многих вирусных инфекциях и некоторых раковых заболеваниях, вакцины против гепатита В и полиомиелита. Наконец, научились вводить ген свёртываемости крови в клетки соединительной ткани больного гемофилией, снимая симптомы болезни (см. § 29, 34). Аналогичным образом лечится и серповидно-клеточная анемия. Достоинство такого рода вакцин ещё и в том, что они не содержат болезнетворного начала и потому не могут спровоцировать заболевание, что изредка случается при обычной вакцинации. В медицине генная инженерия особенно эффективна для ранней диагностики вирусов и возбудителей бактериальных инфекций. Это, в частности, касается возбудителей ВИЧ-инфекции (СПИДа) и гепатита В.

• Что мешает использованию генной инженерии, и кто должен найти выход?

Генная инженерия является предметом острых дискуссий в обществе. Некоторые опасаются, что генетически модифицированные организмы могут выйти из-под контроля человека и их новые гены будут перенесены на другие организмы. Например, сорняки приобретут устойчивость к гербицидам, болезням и засухе и превратятся в “суперсорняки”, с которыми будет трудно бороться. Употребление ГМО в пищу скептики считают рискованным.

На самом деле ГМО отличаются от традиционных сортов только методом получения — в итоге и те, и другие содержат мутантную ДНК, которая не может “помнить” причины мутаций. Конечно, ГМО не должны содержать новых генов, влияние продуктов которых на организм человека не изучено, — и это строго контролируется. Напомним, что пища, попавшая нам в желудок, подвергается разрушению до элементов, которые входят в состав всех живых организмов с любым генотипом. Так, гены прокариот и эукариот всасываются в кровь в виде отдельных нуклеотидов, а белки — в виде аминокислот. Однако люди опасаются ГМО настолько, что многие страны приняли законодательное требование к производителям пищевых продуктов: указывать на этикетках, использованы ли ГМО при их изготовлении.

Определять степень риска и необходимые средства защиты должны специалисты-биологи, а обсуждение этических норм и юридических последствий генной инженерии — задача общества.

• Как осуществляется клонирование и какие перспективы использования имеет этот метод?

Создание многочисленных генотипических копий одного индивидуума называютклонированием.Сравнительно просто устроенные организмы, размножающиеся бесполым способом, могут многократно повторять удачные генотипы в потомстве. Однако у позвоночных и других сложно устроенных животных этот процесс естественным путём не происходит. Наука позволяет решить эту проблему.

Удачные образцы растений можно размножать вегетативным способом и таким образом многократно увеличивать их число. Кроме того, клетки растений сохраняют способность к смене специализации в течение жизни, поэтому в подходящих условиях каждая клетка может дать начало целому организму. Впервые опыт клонирования моркови из клетки корнеплода был осуществлён в начале 1960-х.

Клонирование высших животных — значительно более трудная процедура. Впервые такой успешный эксперимент был осуществлён в 1970 году со шпорцевой лягушкой. Ядро яйцеклетки было заменено на ядро из соматической клетки взрослой лягушки. Таким образом, были получены головастики и взрослые лягушки путём клонирования отдельных соматических клеток. Наконец, в 1996 г. в Шотландии методом клонирования из клетки эпителия молочной железы успешно вырастили знаменитую овечку Долли (рис. 37.2).

37.2. Клонирование овцы Долли

Клонирование— перспективный метод селекции домашних животных. На ранних стадиях развития (при дроблении зиготы на 8—16 бластомеров) клетки эмбриона телёнка ещё не специализированы. Их можно разделить, имплантировать нескольким коровам-кормилицам и вырастить из каждой клетки полноценных телят. Таким способом можно создать множество идентичных копий одного выдающегося производителя.

Клонирование клеток и органов

• Чем поможет людям исследование этой проблемы?

Кроме того, можно клонировать отдельные клетки. Создав культуру неспециализированных клеток, содержащих генотип целого животного, их можно размножать в искусственной среде в течение долгого времени. Таким способом можно сохранять ценный генотип гораздо дешевле, чем путём содержания целого животного, например, быка. Наконец, культура клеток позволяет изучить реакцию данного генотипа на воздействие некоторых химических агентов, например, лекарственных препаратов. Это также намного дешевле и быстрее, чем проделывать то же самое на группе животных. Все эти примеры говорят о том, что мы стремительно приближаемся к эпохе клеточной селекции многоклеточных организмов.

Если клонирование тканей животных проходит удачно, то почему бы не использовать его в медицине? Сейчас люди, потерявшие жизненно важный орган в результате несчастного случая или болезни, могут рассчитывать на пересадку органа от другого человека, только что погибшего от травмы. Увы, шансы на то, что иммунная реакция организма не приведёт к отторжению чужих тканей, невелики. Нельзя списывать со счетов и этический аспект: ведь приходится полагаться на трагическую случайность как единственную возможность спасти другую жизнь.

Клонирование клеток пациента открывает новые возможности. Вместе с тем это задача невероятной биологической сложности. Клетки-родоначальники должны быть неспециализированными. Такие клетки — стволовые клетки — найдены теперь не только у эмбрионов. Их дифференциация в ткани нужного органа, однако, требует полного знания того, как управляется развитие в онтогенезе. Существование органа обеспечивается взаимосвязями с целым организмом посредством нервов, кровеносных сосудов и т.д. Помимо этого, искусственный орган должен формироваться в определённом каркасе, чтобы приобрести нужную форму, но тогда его невозможно будет отделить от каркаса для пересадки.

Решение этих вопросов требует усилий всего общества в виде законодательных и финансовых мер, а также организации научных исследований. Учёные, вставшие на этот путь, в 2006 г. совершили первую операцию по пересадке пациенту мочевого пузыря, выращенного из его собственных клеток.

Этические аспекты биотехнологии

• Как вы относитесь к проблеме клонирования человека?

Развитие биотехнологии ставит перед человечеством много серьёзных этических вопросов и вызывает острые дискуссии. О некоторых из них мы уже говорили. Всё это не может не волновать людей. Некоторые считают, что человек не имеет права переделывать живые организмы ради собственного блага. Другие возражают им, мотивируя тем, что существование человечества было бы невозможно без выведения высокопродуктивных сортов растений и пород животных.

Ещё больше вопросов вызывает применение современных технологий к “исправлению” генома человека. Очень важно, чтобы человек имел всю полноту информации о своём здоровье и перспективах вылечивания, чтобы он мог принимать осознанное решение, соглашаясь на лечение или отказываясь от него. Кроме того, важно, чтобы ни одна личность не могла быть подвергнута дискриминации на основе информации об особенностях её генома.

Введение в клетки человека чужеродного генетического материала может иметь отрицательные последствия в результате нарушения работы генов. Особый риск будет в случае внедрения генов в половые клетки, так как при этом можно навредить не только данному человеку, но и всем его потомкам. Вот почему в статье 13 “Конвенции о защите прав и достоинства человека в связи с применением достижений биологии и медицины” (1997 г.) говорится: “Вмешательство в геном человека, направленное на его модификацию, может быть осуществлено лишь в профилактических, диагностических или терапевтических целях и только при условии, что оно не направлено на изменение генома наследников данного человека”. Заметим, что изменить геном всех клеток взрослого человека или уже родившегося ребёнка не представляется возможным.

Однако самым острым на данном этапе развития биотехнологии является спор о возможности клонирования человека. Запрет на клонирование человека введён в подавляющем большинстве стран (в марте 2010 года в России) в первую очередь по этическим соображениям. Становление личности человека зависит далеко не только от его генетической конституции, но и прежде всего от взаимоотношения с его социальным окружением. Поэтому при любом клонировании повторить

личность человека невозможно. Все крупные религиозные конфессии мира осуждают любое вмешательство в процесс воспроизводства человека, настаивая на том, что зачатие и рождение должно происходить естественным путём. Вместе с тем несколько столетий назад высказывались возражения и против лечения человека после рождения.

Запрет на клонирование связан как с этическими, так и с технологическими проблемами. Пока опыты по клонированию организмов не очень результативны (бедная овечка Долли прожила недолго), а на каждый случай успешного клонирования приходится множество неуспешных попыток. Необходимо существенно повысить выживаемость клонированных особей, выяснить, как оно сказывается на здоровье и продолжительности жизни животного. И только после создания безопасных форм клонирования животных наука, может быть, в будущем вернётся к проблеме обсуждения клонирования человека. Сейчас многие страны изменили точку зрения на исследование стволовых клеток человека и клонирование органов. Будем надеяться, что шаг за шагом мы будем находить верные и эффективные решения этих проблем — на пользу человечеству и биосфере.

Обобщение новых знаний

Использование механизмов биологических процессов в промышленном производстве происходило давно, но лишь в 70-х годах XX века сформировалось как биотехнология - совокупность промышленных методов получения полезных для человека продуктов с помощью живых организмов. Её важными направлениями стали генная инженерия и клонирование. Под генной инженерией понимается целенаправленный перенос генов из клетки одного в клетку другого организма. В результате возникают генетически модифицированные организмы (ГМО). Клонирование - создание генетических копий организмов. Использование биотехнологий породило множество этических проблем.

Биотехнология. Генная инженерия. Клонирование.

Генетически модифицированные организмы

1. Каково значение биотехнологии в жизни человека?

2. Какие отрасли человеческой деятельности пользуются плодами биотехнологии?

3. В чём состоит сходство и различие в выведении новых сортов методами традиционной селекции и генной инженерии?

4. Какие области биотехнологии, на ваш взгляд, безопасны для человечества, а какие представляют опасность? Докажите научную состоятельность ваших опасений.

5. Поработайте в паре: пусть один приводит доводы за проведение опытов по клонированию животных и даже человека, а другой - против. Затем поменяйтесь ролями.

Библиотека образовательных материалов для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы из сети Интернет, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

Значение биотехнологии. Этические аспекты

Ключевые слова: значение биотехнологии, этические аспекты, клеточная теория. Раздел ЕГЭ: 3.9. … Роль клеточной теории в становлении и развитии биотехнологии. Значение биотехнологии для развития селекции, сельского хозяйства, микробиологической промышленности, сохранения генофонда планеты. Этические аспекты развития некоторых исследований в биотехнологии (клонирование человека, направленные изменения генома)

Роль клеточной теории в становлении и развитии биотехнологии

Значение биотехнологии для развития селекции, сельского хозяйства, микробиологической промышленности, сохранения генофонда планеты

Прогресс биотехнологии позволил совершить прорыв в таких отраслях человеческой деятельности, как селекция, сельское хозяйство, медицина, фармация и др., поскольку появились возможности не только для изменения свойств организмов, но и для ускорения процесса их создания. Так, введение в растения бактериальных генов устойчивости к поеданию насекомыми и поражению вирусами, а также способных расти на бедных или загрязненных почвах способствует решению продовольственной проблемы, особенно в странах с быстро растущим населением. В настоящее время значительная часть посевных площадей занята трансгенными культурами в США, Канаде и Китае.

Кроме того, культивирование клеток растений на фоне высоких концентраций солей и других соединений позволяет сократить сроки выведения новых сортов пшеницы, сои и других важнейших сельскохозяйственных культур до одного-двух лет.

Клонирование животных, особенно с генетически измененными признаками и свойствами, позволяет вывести более продуктивные породы и добиться их быстрого размножения, однако этот процесс пока еще слишком трудоемок и дорог, чтобы применяться в промышленном масштабе.

Трансформация бактерий позволила уже в начале 80-х годов ХХ века получать биологически активные вещества — инсулин, соматотропный гормон, интерферон, которые применяются в медицине, а также создать новые штаммы микроорганизмов, предназначенных для очистки сточных вод, ликвидации нефтяных разливов и т. д. Путем селекции выведены также и формы бактерий, с помощью которых получают антибиотики, извлекают цветные металлы, получают биогаз.

Этические аспекты развития некоторых исследований в биотехнологии (клонирование человека, направленные изменения генома)

Расширение сферы влияния биотехнологии, с одной стороны , преследует благородные цели, поскольку с ее помощью стало возможным преодоление бесплодия, лечение многих наследственных и приобретенных заболеваний, а также решение продовольственных и экологических проблем современности. С другой стороны , активное вторжение современных технологий в медицину не может не настораживать, поскольку это сопряжено с операциями с клетками и тканями человека. Например, не совсем ясно, почему по американским законам при искусственном оплодотворении берется две донорские яйцеклетки, но пересаживается только одна из них, тогда как вторая замораживается, помещается в специальный банк и не выдается родителям даже по специальному запросу.

Большинство стран законодательно ограничило эксперименты по клонированию человека в основном по этическим соображениям, поскольку они направлены не просто на воспроизведение человека, но и на последующее использование клеток, тканей и органов зародыша для экспериментов, а также в качестве их донора. В связи с этим во всем мире активно обсуждается вопрос о допустимости подобных действий.

Применение генных технологий в создании новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов также вызывает некоторые опасения, поскольку их попадание в окружающую среду может вызвать неконтролируемое распространение , например, раковых генов , и привести к необратимым последствиям для жизни и здоровья человека. Так, опыление пыльцой трансгенных растений генетически немодифицированных сортов и видов может стимулировать появление сверхустойчивых к химическим и биологическим средствам борьбы сорняков.

Особую опасность представляет внесение новых генов в сбалансированный геном, откуда они могут быть исключены в любой момент, что может привести к появлению каких-либо вирусоподобных организмов .

Потребление продуктов, полученных с использованием генетически модифицированных организмов, по некоторым данным, приводит к существенным нарушениям в репродуктивной сфере человека , а в перспективе может угрожать и самой жизни, поскольку мутировавший лишь по одному нуклеотиду ген устойчивости картофеля к поеданию колорадским жуком кодирует белок, смертельно опасный уже и для человека. И хотя это является маловероятным, поскольку ДНК потребляемых нами продуктов должна расщепляться в кишечнике, все же такая вероятность существует, и сбрасывать ее со счетов не приходится.

Сравнительно слабая изученность проблем клонирования и применения генных технологий заставляет многие правительства принимать решения по ограничению сферы их применения и специальной маркировке продуктов питания, полученных таким способом, с целью информирования.

Официально в России разрешено использовать 17 видов генетически модифицированных серий с измененной структурой ДНК (то есть ГМО) пяти сортов сельскохозяйственных культур: это картофель, кукуруза, соя, сахарная свекла и рис. На первый взгляд немного, но если учесть что они могут добавляться в большое количество продуктов в виде отдельных компонентов, то получится, что порядка 30-40% продуктов содержат ГМО-компоненты. Такие компоненты можно найти в хлебобулочных, кондитерских изделиях, мясных и молочных продуктах.

Согласно письму Роспотребнадзора от 24.01.2006 № 0100/446-06-32, содержание в пищевых продуктах 0,9% и менее компонентов, полученных с применением ГМО, является случайной или технически неустранимой примесью. Такие пищевые продукты НЕ подлежат этикетированию.

Содержание:

Генная инженерия — это современное направление биотехнологии, объединяющее знания, приемы и методики из целого блока смежных наук — генетики, биологии, химии, вирусологии и так далее — чтобы получить новые наследственные свойства организмов.

Перестройка генотипов происходит путем внесения изменений в ДНК (макромолекулу, обеспечивающую хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) и РНК (одну из трех основных макромолекул, содержащихся в клетках всех живых организмов).

Если внести в растение, микроорганизм, организм животного или даже человека новые гены, можно наделить его новой желательной характеристикой, которой до этого он никогда не обладал. С этой целью сегодня генная инженерия используется во многих сферах. Например, на ее основе сформировалась отдельная отрасль фармацевтической промышленности, представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии.

История развития

Истоки

Параллельно с этим шел процесс формирования знаний о ДНК. Так, в 1869 году швейцарский биолог Фридрих Мишер открыл факт существования макромолекулы, а в 1910 году американский биолог Томас Хант Морган обнаружил на основе характера наследования мутаций у дрозофил, что гены расположены линейно на хромосомах и образуют группы сцепления. В 1953 году было сделано важнейшее открытие — американец Джон Уотсон и британец Фрэнсис Крик установили молекулярную структуру ДНК.

На подъеме

К концу 1960-х годов генетика активно развивалась, а ее важными объектами стали вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов, а в 1970-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК.

Генная инженерия как отдельное направление исследовательской работы зародилась в США в 1972 году, когда в Стэнфордском университете ученые Пол Берг, Стэнли Норман Коэн, Герберт Бойер и их научная группа внедрили новый ген в бактерию кишечной палочки (E. coli), то есть создали первую рекомбинантную ДНК.

Техника ПЦР была впервые разработана в 1980-х годах американским биохимиком Кэри Маллисом. Будущий лауреат Нобелевской премии по химии (1993 года), обнаружил в специфический фермент — ДНК-полимеразу, который участвует в репликации ДНК. Этот фермент буквально считывает отрезки цепи нуклеотидов молекулы и использует их в качестве шаблона для последующего копирования генетической информации.

Новая эра

В 1996 году методом пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки на свет появилось первое клонированное млекопитающее — овца Долли. Это событие стало революционным в истории развития генной инженерии, потому что впервые стало возможным серьезно говорить о создании клонов и выращивании живых организмов на основе молекул.

Технологии генной инженерии

Генная инженерия за короткий срок оказала огромное влияние на развитие различных молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться на пути познания генетического аппарата.

Теоретически, технология CRISPR может позволить редактировать любую генетическую мутацию и излечивать заболевание, которое она вызывает. Но практические разработки CRISPR в качестве терапии еще только в начальной стадии, и многое еще непонятно.

Есть и другие методы генной инженерии, например, ZFN и TALEN.

ZFN разрезает ДНК и вставляет туда заготовленный заранее новый фрагмент с помощью белков с ионами цинка (отсюда название — Zinc Finger Nuclease).
TALEN делает то же самое, только используя TAL-белки. Для обеих технологий приходится создавать отдельные белки, а это очень долгая работа, поэтому пока два этих метода особого применения не нашли.

Где и как применяется генная инженерия

Медицина

Уже сейчас активно применяется инсулин человека (хумулин), полученный посредством рекомбинантных ДНК. Клонированные гены человеческого инсулина были введены в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали. С 1982 года компании США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин.

Кроме того, несколько сотен новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику. Среди лекарств, находящихся в стадии клинического изучения, препараты, потенциально лечащие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, онкологию и СПИД. Среди нескольких сотен генно-инженерных компаний 60% заняты именно разработкой и производством лекарственных и диагностических средств.

Сельское хозяйство

В сельском хозяйстве одна из важнейших задач генной инженерии — получение растений и животных, устойчивых к вирусам. В настоящее время уже есть виды, способные противостоять воздействию более десятка различных вирусных инфекций.

Еще одна задача связана с защитой растений от насекомых-вредителей. Путем генетической модификации растений можно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами. Например, трансгенные растения картофеля и томатов стали устойчивы к колорадскому жуку, растения хлопчатника — к разным насекомым, в том числе и к хлопковой совке.

Использование генной инженерии позволило сократить применение инсектицидов (препаратов для уничтожения насекомых) на 40–60%.

С помощью генной инженерии пытаются решить и экологические проблемы. Так, уже созданы особые сорта растений с функцией очистки почвы. Они поглощают цинк, никель, кобальт и иные опасные вещества из загрязненных промышленными отходами почв.

Скотоводство

В Кемеровской области работа генетиков позволила получить устойчивое к вирусу лейкоза племенное поголовье высокопродуктивных животных. Для проведения эксперимента кузбасские ученые отобрали здоровых коров черно-пестрой породы массой до 500 кг. Животным трансплантировали модифицированные эмбрионы, устойчивые к вирусу лейкоза. В середине сентября 2020 года родилось 19 телят с измененными генами.

По словам Зубовой, лейкоз крупного рогатого скота — вирусная хронически неизлечимая болезнь, при которой возникают поражение кроветворной системы и новообразования. Данное заболевание наносит значительный ущерб генофонду пород и мясной промышленности в целом, потому что мясо зараженных животных запрещено употреблять в пищу. Единственным доступным методом борьбы с лейкозом ранее было только уничтожение зараженного скота.

Этот успех позволяет говорить о том, что в дальнейшем будет возможно редактировать гены крупного рогатого скота и от других болезней.

С прицелом на человека

В 2009 году группа ученых под руководством молодого исследователя Джея Нейтца из Вашингтонского университета сумели с помощью генной терапии вернуть обезьянам способность различать оттенки зеленого и красного, которой они были лишены от рождения.

В область сетчатки глаза двух подопытных обезьян был введен безвредный вирус, несущий недостающий ген фоточувствительного рецептора. Вскоре после процедуры обе обезьяны начали различать оттенки красного и зеленого на сером фоне. Два года наблюдения не выявили у них каких-либо нарушений, поэтому ученые не исключают, что данную методику уже вскоре можно будет применять у людей, страдающих дальтонизмом.

Ученые шагнули еще дальше и уже пробуют выращивать в теле животных органы для трансплантации людям. Для минимизации риска отторжения тканей животным вводят специальные гены. Этими опытами занимается научная лаборатория Рослинского института в Великобритании, которая представила миру овцу Долли.

В 2019 году британские ученые вывели кур, яйца которых содержат два вида человеческих белков, способных противодействовать артриту и некоторым видам онкологических заболеваний. В яйцах содержится человеческий белок под названием IFNalpha2a, обладающий мощными противовирусными и противораковыми свойствами, а также человеческий и свиной вариант белка под названием макрофаг-CSF, который планируют использовать для создания препарата, стимулирующего самостоятельное заживление поврежденных тканей.

Изменение ДНК человека

Первые клинические испытания методов генной терапии были предприняты 22 мая 1989 года с целью генетического маркирования опухоль-инфильтрующих лимфоцитов в случае прогрессирующей меланомы.

14 сентября 1990 года в Бетесде (США) четырехлетней девочке, страдающей наследственным иммунодефицитом, обусловленным мутацией в гене аденозиндезаминазы (АDA), были пересажены ее собственные лимфоциты.

Работающая копия гена ADA была введена в клетки крови с помощью модифицированного вируса, в результате чего клетки получили возможность самостоятельно производить необходимый белок. Через шесть месяцев количество белых клеток в организме девочки поднялось до нормального уровня.

После этого область генной терапии получила толчок к дальнейшему развитию. С 1990-х годов сотни лабораторий ведут исследования по использованию генной терапии для лечения различных заболеваний. Уже сегодня с помощью генной терапии можно лечить диабет, анемию и некоторые виды онкологии.

Генная терапия

Генная терапия — введение, удаление или изменение генетического материала, в частности ДНК или РНК, в клетке пациента для лечения определенного заболевания.

Существует три основных стратегии использования генной терапии:

В 2015 году впервые была проведена процедура изменения ДНК человека с целью продления молодости клеток, когда американке Элизабет Пэрриш 44 лет ввели в организм препарат, влияющий на ДНК, а в 2018 году китайский ученый Хэ Цзянькуй заявил, что с его помощью у двух детей-близнецов якобы изменены гены для выработки у них иммунитета к вирусу ВИЧ, носителем которого являлся их отец.

Все это, с одной стороны, выглядит грандиозно и обнадеживает, но с другой, — вызывает опасения, ведь генетические манипуляции, теоретически, возможно использовать не только в благих и мирных целях.

После эксперимента с ДНК близнецов в Китае, ЮНЕСКО выступила с инициативой о запрете изменения генов у новорожденных до того момента, пока достоверно не будет доказана безопасность таких манипуляций.

Этическая сторона вопроса

В 1997 году ЮНЕСКО выпустила Всеобщую декларацию о геноме человека и его правах, рекомендовав мораторий на генетическое вмешательство в зародышевую линию человека, а в декабре 2015 года на международном саммите по геномному редактированию человека изменение гаметоцитов и эмбрионов для генерации наследственных изменений у людей было объявлено безответственным.

Российское сообщество генетиков в большинстве своем считает, что такие эксперименты на данный момент преждевременны и требуют более глубокого исследования и обсуждений.

Страх неизвестности

Вариантов развития событий в области генной инженерии существует множество, и далеко не все они изучены и, в принципе, известны. Поэтому они должны быть последовательно зафиксированы и регламентированы.

Естественно, больше всего опасений вызывают плохие сценарии развития событий. Как правило, все начинается с помощи людям и изобретения новых лекарств. Но потом человек может прийти к желанию сделать своего ребенка светловолосым и зеленоглазым или создать армию универсальных солдат, не боящихся боли и не ведающих страха.

Эксперты убеждены, что генная инженерия — это будущее медицины. Возможность избавить младенца от пожизненного гнета заболевания, излечить людей от рака, найти лекарство против ВИЧ — за всем этим будет стоять генная инженерия. При этом желание человека изменить, например, цвет глаз или предотвратить наследственное заболевание, несмотря на все риски, будет только расти. И похоже, что остановить этот процесс уже не представляется возможным.

Обзор

Молекулярный биолог Пробирочка расскажет про биотехнологию и все ее аспекты — от становления до прогресса

Автор

Редакторы

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.

Генная инженерия и биотехнология, будучи одними из главных направлений научно-технического прогресса, хорошо способствуют решению разнообразных задач.

В настоящее время биотехнология способна решить множество проблем медицины и создания пищевых продуктов. Также особая роль биотехнологии отводится в сельском хозяйстве. Ученые занимаются созданием и дальнейшим культивированием трансгенных растений и синтезом средств их защиты.

За счет генной инженерии был совершен огромный шаг навстречу новым технологиям. Однако ее развитие породило множество споров, в том числе и о ГМО. Несмотря на все слухи, польза ГМО явно видна. ГМ-растениям не страшен холод, пестициды или засуха. Помимо этого, использование генномодифицированных организмов может улучшить качество жизни населения стран третьего мира.

Самая главная молекула. Открытие ДНК

Несомненно, молекула ДНК занимает особое место в биологической науке. Ведь ДНК является носителем всей наследственной информации, сохраняет ее и передает следующему поколению. Именно с открытия знаменитой двойной спирали учеными Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном (1953 г.) начался новый виток в истории человеческой культуры — эпоха генетики, молекулярной биологии, биотехнологии и биомедицины.

Значение ДНК колоссально, поскольку во всех живых организмах генетическая информация существует в виде особой структуры — двойной спирали. Рассмотрим ДНК с химической точки зрения. Молекула представляет собой достаточно длинную цепь из строительных блоков — нуклеотидов. А каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, дезоксирибозы (особого сахара) и фосфатной группы.

Язык науки. Генетический алфавит

Двухцепочечная молекула ДНК хранит генетическую информацию, а генетическим кодом называют систему записи последовательности кодируемого белка нуклеотидами в гене.

Свойства генетического кода:

Триплетность. Генетический код состоит из трех букв — триплетов нуклеотидов ДНК. Они комбинируются в разной последовательности: ГЦА, АЦГ, ААТ и т.д. Каждый из триплетов кодирует конкретную аминокислоту, а это значит, что все 20 существующих аминокислот зашифрованы тремя определенными нуклеотидами.
Вырожденность. Триплетов, кодирующих аминокислоты, существует 61, а аминокислот только 20, поэтому каждая аминокислота может кодироваться несколькими триплетами.
Однозначность. Каждому триплету соответствует только одна аминокислота.

Кольцо и спираль. Разнообразие форм

После открытия структуры ДНК началось активное развитие молекулярной биологии. Тем не менее, понимая строение ДНК на уровне химической структуры, никто не мог представить, что эта молекула может быть кольцевой. Как теперь известно, кольцевую ДНК имеют бактерии. Но кольцевая молекула есть и у человека, она находится в митохондриях.

Кольцевое строение ДНК наиболее эффективно для ее удвоения, то есть репликации. Репликация кольцевого типа — относительно простой процесс удвоения молекулы. Происходит разделение цепочек исходной молекулы и наращивание по принципу комплементарности новых цепочек по существующим. В результате получаются дочерние ДНК, которые окажутся идентичными копиями исходной. При кольцевом строении молекулы процесс удвоения протекает более точно.

Роль биотехнологии. Правда о ГМО

Переход биологии на молекулярный уровень дал начало развитию биотехнологии. Ее суть состоит в использовании методов генной инженерии для рыночного производства значимых биологических продуктов: новейших лекарств, реагентов для научных исследований и продуктов питания.

Для создания всего вышеперечисленного используют рекомбинантные белки. Это такие искусственно созданные и обладающие новыми свойствами белки, синтез которых контролируют новые гены, внедренные в клетки.

Рекомбинантные ДНК

ДНК — главный материал, с которым работает генный инженер. Но проверять результаты работы и производить рекомбинантный продукт придется с помощью живых организмов. Так, при создании рекомбинантных ДНК нельзя обойтись без кишечной палочки, которая подходит для производства некоторых биотехнологических продуктов. А при работе с эукариотическими генами и белками часто используют пекарские дрожжи. Главная особенность дрожжей — отличная способность к гомологичной рекомбинации. Дрожжи также удобно использовать при производстве рекомбинантных белков, так как они умеют редактировать матричную РНК, их продукты лишены токсичности, а у некоторых видов достаточно высокий выход продукта.

Вышеуказанные микроорганизмы стали моделями для изучения молекулярной организации и отработки генетических техник у прокариот и эукариот. Для обеспечения техники безопасности и удобства работы с рекомбинантными ДНК были созданы различные мутанты кишечной палочки. К примеру, следующие:

неспособные передавать плазмиды другим клеткам;
устойчивые к бактериофагам;
содержащие мутации для выявление клеток с рекомбинантными ДНК.

Для генных инженеров эта бактерия особо значима, так как:

для работы с ней не требуется дорогое и сложное оборудование;
она чувствительна к большинству стандартных антибиотиков (это существенно облегчает подбор маркеров для клонирования);
ее геном и биохимия хорошо изучены, разработано огромное множество инструментов для работы с ней.

Однако у кишечной палочки есть и ряд недостатков:

продукты, полученные при работе, могут обладать токсическими свойствами, поэтому необходимы постоянный контроль и очистка;
она не умеет самостоятельно сворачивать и модифицировать синтезируемые белки;
иногда снижается выход целевого продукта из-за формирования неполноценных белков.

Постепенно увеличивалось влияние биологии на быт и жизнь человека в целом. Это привлекло к ней всеобщее внимание. Рост возможностей современной биотехнологии породило множество споров, в том числе и о ГМО.

Интересный факт

Человечество тысячи лет вмешивается в эволюционные процессы, проводя искусственный отбор организмов с полезными, значимыми для человека спонтанно возникшими мутациями — селекцию. К примеру, когда-то всем известной кукурузы (в современном понимании) и вовсе не существовало. Древние люди занимались скрещиваниями дикого родственника нынешней кукурузы — теосинте. И как выяснилось в результате исследований, геномы теосинте и кукурузы оказались уж очень схожими. Разницу между двумя видами определили несколько десятков генетических мутаций.

ГМО — это организмы, геном которых был изменен при помощи генетической инженерии. Тем не менее факт остается фактом: за счет эволюционных процессов гены изменяются сами по себе у всех живых организмов. Отличие лишь одно: в процессе эволюции мы не можем контролировать процесс изменения генома, а в лаборатории, используя современные знания и технологии, способны изменять и улучшать гены.

Кстати говоря, у ученых-генетиков нет ни стимулов, ни целей создавать что-либо угрожающее здоровью всего человечества. Специалисты стремятся продвигать научный прогресс и производить те продукты, которые будут нужны людям.

Современная биотехнология. Генная инженерия сегодня

На данный момент перед учеными стоит ряд технологических задач. Можно изменить биологические организмы с помощью генноинженерных и клеточных методов для удовлетворения потребностей человека. К примеру, улучшить качество продуктов, получить новые виды растений и животных, придать различным живым организмам улучшенные свойства и создать необходимые лекарственные препараты за счет методов генетической инженерии.

Трансгенные растения: вред или польза?

Люди могли изменять ДНК растений на протяжении многих лет. Скрещивая друг с другом растения с самыми лучшими свойствами, специалисты замечали, что эти свойства будут сохранены в потомстве. Так зародилась селекция.

Работа специалистов-селекционеров упростилась, когда в науке стали применять генетические законы Грегора Менделя. Позже было обнаружено, что возможно улучшить необходимые свойства растений при помощи мутаций. Число этих мутаций можно увеличивать за счет химикатов и рентгеновских лучей. В результате таких экспериментов было получено огромное количество разнообразных сортов растений. Важно знать, что такой метод может дать непредсказуемые результаты, поскольку, как известно, мутации спонтанны.

Конечно, из различных источников информации можно узнать о предполагаемом вреде трансгенных растений. И на второй план уходит одна из главных задач трансгенных организмов — спасение от нехватки важных питательных веществ и голода населения Земли. Существуют такие трансгенные растения, за счет которых удалось спасти человеческие жизни. Хорошим примером послужит золотой рис.

Золотой рис — генетически модифицированный сорт посевного риса, в зернах которого содержится огромное количество бета-каротина. Эти зерна имеют золотисто-желтый цвет. Считается, что это первая сельскохозяйственная культура, которая целенаправленно генетически модифицирована для улучшения пищевой ценности.

Вообще, при обширном выращивании, золотой рис может в несколько раз улучшить качество питания во многих странах (в том числе и в ряде стран третьего мира), где наблюдается нехватка витамина A. В организме человека витамин A производится из бета-каротина, который поступает преимущественно с растительной пищей. Для модификации риса использовали два гена: ген цветка нарцисса и ген бактерии Erwinia uredovora.

Разумеется, сегодня человечество нуждается в развитии новых технологий, а также ресурсов для жизни, удовлетворяющих потребности организма. Инновации вызывают опасения: сейчас некоторые люди не доверяют современным достижениям генетической инженерии.

Все же важно понимать, что новое — не обязательно плохое, всего лишь нужно попытаться разглядеть и положительные стороны, узнать больше о новых достижениях, открытиях, сделать последующие выводы исключительно на основе достоверных фактов. Именно тогда человечество может отграничиться от ряда споров, заблуждений, встать на путь новейших биологических открытий, сделать огромный рывок вперед.

Читайте также: