Революция в молекулярной биологии доклад

Обновлено: 05.07.2024

Любая революция, будь то революция в технике, науке или социуме, разрушает существующий миропорядок, изменяя сложившийся баланс между различными сферами жизни. Со временем происходит стабилизация и баланс восстанавливается вновь, при этом эти сферы претерпевают более или менее кардинальные изменения. Это можно проследить на примерах открытия деления атомных ядер или на примере социалистической революции в России - мир претерпел существенные изменения, которые не всегда шли на пользу людям. Однако оставим в стороне вопрос оценки той или иной революции. Для нашего рассуждения более существенно то, что в результате революции в молекулярной биологии, или как ее сейчас называют, в геномике, может вообще не остаться сфер жизни "выше" бактерий, либо эти сферы будут населены различными химерами, обреченными на вымирание.

Для того, чтобы разобраться в ситуации, сложившейся в молекулярной биологии и обосновать наши опасения, воспользуемся благоприятным стечением обстоятельств - за последнее время появились три статьи по данной теме, которые написаны хотя и популярно, но глубина понимания проблемы и квалификация авторов не вызывает никаких сомнений.

Итак, всего полстолетия назад начался новый этап развития биологии, когда была расшифрована молекулярная структура генетического материала - дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК. На молекулярном уровне ДНК - это две скрученные в спираль вокруг общей оси цепочки из соединенных друг с другом в определенной последовательности четырех различных элементов - так называемых нуклеотидов. Ученые научились расшифровывать не только структуру ДНК в целом, но и первичную последовательность нуклеотидов. Эта последовательность строго индивидуальная и специфичная для каждого достаточно длинного отрезка ДНК, она является кодовой записью генетической информации. ДНК, хранящаяся и работающая в клеточном ядре, воспроизводит не только саму себя. В нужный момент определенные участки ДНК - гены - воспроизводят свои копии в виде химически подобного полимера - РНК, рибонуклеиновой кислоты, которые в свою очередь служат матрицами для производства множества необходимых организму белков. Существуют также независимые гены - вирусы, которые представляют собой упакованный в белковую оболочку генетический материал. Попадая в клетку, вирусные гены начинают репродуцировать свои РНК и свои белки, которые переполняют клетку, и она лопается, а вирус в тысячах копий освобождается и заражает другие клетки. Таким образом, основная цепь событий в молекулярной биологии может быть представлена последовательностью: ДНК - РНК - белок.

В течение долгого времени никто не предполагал, что это приведет к каким-то практическим следствиям, однако это время прошло. Появились машины, способные прочитывать 1 млн. пар нуклеотидов за неделю. Открываются возможности чтения геномов растений, животных и человека. Разрабатываются методы введения нужных генов в высшие организмы. Начались работы по созданию искусственных хромосом человека. Ученые научились размножать гены в миллионах экземпляров и оценивать их эволюционную пригодность для конкретной задачи. При этом могут использоваться гены, выделенные из бактерий, которые существовали на Земле миллионы лет назад. Такие бактерии имеются в геотермальных водах, в нефти и т.д. Причем, бактерии, на которых размножаются найденные гены, подвергаются облучению с последующим отбором необходимого генетического материала. Этим занимается так называемая эволюционная генетика.

Фундаментальная наука все больше приобретает черты промышленного производства. За прошлый год 1200 биотехнологических компаний заработали 16 млрд. долларов. Мы стоим на пороге века биологии и должны задуматься, что нас ожидает. Некоторые ученые рисуют радужные перспективы: уже сегодня мы пользуемся генноинженерным инсулином, гормонами, антителами, развивается так называемая генная терапия, производятся пищевые добавки, готовится к широкомасштабному применению трансгенный картофель и другие культуры; завтра появятся растения, которые выделяют в окружающую среду белок, продолжая нормально развиваться; новые виды бактерий позволят восстанавливать плодородие почвы, помогут очищать окружающую природную среду. Могут быть созданы животные, которые будут сочетать в себе особенности различных видов, так называемые химеры, или изменены поведенческие особенности существующих видов. Никаких принципиальных технических препятствий для манипулирования с половыми и зародышевыми клетками человека не существует, хотя пока они юридически и этически запрещены. Теоретически возможно создание биороботов с заранее запрограммированными свойствами. Здесь же необходимо упомянуть и возможность клонирования человека.

Однако "за все нужно платить", и с новыми возможностями открываются новые опасности. А. Спирин отмечает, что "непредсказуемо возникшие, или вышедшие из-под контроля, или сознательно изготовленные биологические (генетические) агенты, которые могут поражать людей, животных, растения и в случае сознательного использования становятся биологическим оружием", способным, добавили бы мы, в считанные часы смести все живое. Также велика опасность и негативных социальных последствий,связанных с экономическим и научно-техническим отставанием и, соответственно, с попаданием в зависимость от "передовых" стран Запада, с превращением нашей страны в испытательный полигон для продукции генной инженерии.

В развернувшейся полемике высказывается мнение, что трансгенная продукция не более опасна, чем пищевые добавки или стимуляторы роста, прошедшие проверку на токсичность и отсутствие канцерогенных эффектов, и превращение нашей страны в полигон для внедрения научных достижений других стран не таит в себе угрозу, если есть профессионалы, которые могут этот процесс контролировать. Хочется напомнить профессору Глазко, что вопрос контроля на Украине "тонкий и деликатный" и Министерство здравоохранения разослало в санитарно-гигиенические подразделения список разрешенных к использованию пищевых добавок, многие из которых способны индуцировать опухолевый рост и поэтому запрещены на Западе. Такой подход пытаются оправдать переходом к новой концепции безопасности: если раньше разрешалось использовать продукты, безопасность которых доказана, то сейчас разрешаются к использованию продукты, если не доказан их вред. Средств же на такие исследования не выделяется. Упования на неограниченные возможности науки приводят В. Глазко к утверждению, что последствия введения новых генетических форм в окружающую среду нужно не обсуждать, а исследовать. Также, по его мнению, бессмысленно обсуждать этичность клонирования поскольку не решен ряд не только технических, но и фундаментальных проблем.

На наш взгляд, на самом деле главным является вопрос, готов ли к использованию подобных технологий человек, который действительно является главным инструментом познания и какова цель деятельности человека. Если такой целью является получение прибыли, на чем настаивает автор статьи "Академики, учитесь торговать!", то человечество ожидает катастрофа. Это можно сформулировать более определенно: наука и производство, ориентированные на утилитарное использование, таят в себе угрозу неминуемой гибели человечества. Симптоматично появление в среде биологов критической оценки чисто прикладного использования достижений науки, когда ученые не открывают тайн, а производят информацию в ритме хорошо налаженного механизма. Открытия планируются и заказываются. Наука, сориентированная сугубо на прибыль, - не свободна. Выехавшие за рубеж ученые из бывшего СССР замечают, что "американцы делают карьеру - тяжело, методично - как грузят кирпичи". Где уж тут задуматься о последствиях своих открытий. Вспоминаются слова Сталкера из романа Стругацких, когда он говорит: "Вы хотите, чтобы каждое движение души оплачивалось". Общество потребления сформировало соответствующую науку. В статье "Прощание с понедельником" А. Торгашев делает вывод о том, что изменилась мотивация деятельности ученых, работающих на Западе: "наука перестала заниматься важными для себя вопросами - вопросами жизни и смерти".

Масштаб проблемы использования достижений в области молекулярной биологии, когда в руках генных инженеров появились гигантские возможности, таков, что соотнести с ним можно только знаменитую кантовскую триаду: "Что я могу знать?", "Что я должен делать?", "На что я могу надеяться?". Другими словами попытки решения данной проблемы должны быть предприняты в области философии. Нам представляется, что в этом может оказать существенную помощь философия М. Хайдеггера. Такой подход не должен отталкивать представителей естествознания. Здесь уместно сослаться на В.И. Вернадского, который писал, что "философский анализ требует выучки, сложился тысячелетиями. Он требует эрудиции и трудного размышления, требует всей жизни. Особенно в широких и всеобъемлющих естественных телах, например в понятиях реальности, космоса, времени, пространства, разума человека и т.п., ученый, вообще говоря, не может идти так глубоко и вместе с тем так отчетливо, как может философ, На это у него, вообще говоря, не хватит времени и сил.

Ученый должен пользоваться - быть в курсе творческой и ищущей философской работы - но не может забывать ее неизбежную неполноту и недостаточную точность определения естественных тел в области, подлежащей его ведению". Если бы ученые, подписавшие "Декларацию в защиту клонирования и неприкосновенности научных исследований", а среди них доктора наук, профессора, лауреаты Нобелевской премии, были бы не технократически настроены, они вряд ли бы смогли согласиться с текстом, содержащим следующую сентенцию: "Насколько может судить современная научная мысль вид "Homo sapiens" принадлежит к царству животных. Способности человека, как представляется, только по степени, а не качественно отличаются от способностей высших животных. Богатство мыслей, чувств, упований и надежд человечества возникает, по всей видимости, из электрохимических процессов в мозге, а не из нематериальной души, способы действия которой не может обнаружить ни один прибор".

Если исходить их такого понимания природы человека, то новые открытия в области молекулярной биологии можно рассматривать как последнюю тайну жизни, когда взломана последняя печать и открыта дверь в потаенное, после чего следует тотальное преобразование биоты и управление эволюцией, включая эволюцию человека. Однако, мир неисчерпаем, природа неисчерпаема, человек неисчерпаем. Даже с позиции исследователей "электрохимических процессов в мозге", управление генетической информацией не означает контроля над информацией, получаемой человеком из окружающей среды, космоса, взаимодействия с другими людьми. Машина для чтения нуклеотидов представляется бульдозером, который используется для уборки урожая с поля, на котором растут арбузы. Другими словами, за каждой открытой дверью будет следующая дверь, за которой сокрыто потаенное, не менее содержательное и значимое, чем предыдущее. И каждый раз, после того как открыта очередная дверь, будь то ядерная энергия, классовая борьба, или геном человека, авторы и последователи открытия становятся в позу спасителей человечества, лучше всех знающих что и как делать всем остальным. На самом деле, все обстоит ровно наоборот:

Философия М. Хайдеггера фиксирует положение человека как "постав". "По-став" - это характеристика способа существования человека, когда во всех видах своей деятельности (практической, духовно практической и теоретической) он обнаруживает себя вошедшим в круг непотаенного и каждый вид деятельности является способом раскрытия потаенности, в результате чего предмет исчезает в беспредметности состоящего-в-наличии. Техника, в широком исходном значении слова, как techne, и является способом выведения из сокрытости в несокрытость. Несокрытость при этом отнюдь не поступает в распоряжение человека, как он склонен сейчас думать. Напротив, человек включен в объемлющее его "наличное состояние" так же, как и природа. В доказательство этого Хайдеггер ссылается на многочисленные обиходные понятия, такие, как "человеческий материал" и ряд других обобщений, характерных для нашей эпохи.

Когда человек редуцирует себя до поставщика "наличного состояния", он сам воспринимается только в качестве последнего. Там, где несокрытое выступает для человека даже не как "объект", а как повсеместно-объектное наличное состояние, внутри которого сам человек лишь элемент этого состояния, там человек - на самом краю обрыва, с которого он может сорваться. Именно в этот-то миг он считает себя владыкой земли. У него создается ложное впечатление, что все, что попадает ему на пути, есть объект приложения его могущества. В силу этого рождается еще одна иллюзия: будто всюду человек имеет дело лишь с самим собой, между тем, по мнению Хайдеггера, именно сейчас он уже нигде не встречает себя, не находит своей сущности.

Но по-став угрожает не только человеку в его отношении к себе и ко всему сущему; везде, где господствует эта форма "затребования", исчезает всякая другая возможность проявления бытия. Это наивысшая опасность. Опасность не в технике: нет никакой демонии техники, говорит Хайдеггер, но есть опасность непонимания ее сущности. Опасность для человека не просто в возможности губительного воздействия машин и технической аппаратуры. Угроза затронула человека в его сущности. То, что уже давно угрожает смертью человеку и притом смертью его сущности, - это абсолютный характер чистого воления в смысле преднамеренного стремления утвердить себя во всем. Исходя из остроты проблем, порожденных современными научными открытиями, которая не была еще так осязаема во времена Хайдеггера, можно сделать вывод, что существует угроза уничтожения не только человека, но и многих других форм жизни. Таким образом, ответ на вопрос "Что я могу знать?" может быть следующим: я могу знать то, что может изменить существующее, что ставит меня в ситуацию зависимости от использования этого нового знания и что создает угрозу моему существованию.

Но именно там, где нарастает опасность, приводит Хайдеггер слова Гельдерлина, зарождается возможность спасения. Так, при постановке вопроса о "высшей опасности", исходящей от сущности техники, возникает тема искусства как возможность интуитивно-эмоционального (по Хайдеггеру, исконного и несокрытого) приобщения человечества к простейшим, непреложным истинам бытия в мире. Хайдеггер раскрывает принципиальное различие между традиционной техникой как poiesis, являющейся частью physis, и современной техникой, сущность которой - в вызове, обращенном к природе. Раньше крестьянин ухаживал за своим полем, заботился о нем; современная машинная индустрия питания заменяет природу. Во втором случае крестьянин поставлен, в первом - встроен, т.е. находится в со-стоянии, благодаря которому все существующее (растения, насекомые, животные) остаются тем, чем они есть. При этом они не имеют мира, тогда как крестьянин имеет мир, потому, что пребывает в открытости существующему.

"Мир", по Хайдеггеру, - это целокупность жизненно значимых отношений в существовании человека как живого существа в событии с другими людьми, то духовное содержание культуры, которым живет и действует тот или иной народ в определенный период истории и которое является внутренним достоянием отдельной личности. "Мир высвечивает одновременно то, на чем и в чем человек основывает свое жилье и что без этого освещения остается совершенно скрытым для человека. Мы называем это землей. От того, что означает здесь это слово, надо отдалить как представление об отложившейся материальной массе, так и только астрономическое представление о планете". "Земля", по Хайдеггеру, обозначает существование вещей в их сокрытости, из которой они могут выйти в поле зрения человека "лишь благодаря отблескам, бросаемым на них миром. Если искусство содержит "мир", оно является и способом осознания всего вещественного - "земли". В том, что Хайдеггер называл "спором мира и земли", рождается истина, которую воплощает произведение искусства.

"Храм - произведение искусства потому, что он выставляет мир: позволяет материи не исчезнуть, а впервые выйти наружу в открытость мира произведения". Греческий храм "ничего не отображает", ничего не делает, а просто стоит себе в долине, пересеченный оврагами и ущельями. Но в том-то и дело, что его покоенное состояние лишь кажущееся. Храм как произведение искусства как бы придает вещам их исконный вид, а людям - предоставляет возможность смотреть на самих себя. Храм как бы имманентно содержит в себе облик бога и всего, что с этим связано -

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.

Обзор

Молекулярный биолог Пробирочка

Автор

Редакторы

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.

1. Введение. Сущность молекулярной биологии

Молекулярная биология изучает основы жизнедеятельности организмов на уровне макромолекул. Целью молекулярной биологии является установление роли и механизмов функционирования этих макромолекул на основе знаний об их структурах и свойствах.

Исторически молекулярная биология сформировалась в ходе развития направлений биохимии, изучающих нуклеиновые кислоты и белки. В то время как биохимия исследует обмен веществ, химический состав живых клеток, организмов и осуществляемые в них химические процессы, молекулярная биология главное внимание сосредоточивает на изучении механизмов передачи, воспроизведения и хранения генетической информации.

А объектом изучения молекулярной биологии являются сами нуклеиновые кислоты — дезоксирибонуклеиновые (ДНК), рибонуклеиновые (РНК) — и белки, а также их макромолекулярные комплексы — хромосомы, рибосомы, мультиферментные системы, обеспечивающие биосинтез белков и нуклеиновых кислот. Молекулярная биология также граничит по объектам исследования и частично совпадает с молекулярной генетикой, вирусологией, биохимией и рядом других смежных биологических наук.

2. Исторический экскурс по этапам развития молекулярной биологии

Как отдельное направление биохимии, молекулярная биология начала развиваться в 30-х годах прошлого века. Еще тогда возникла необходимость понимания феномена жизни на молекулярном уровне для исследований процессов передачи и хранения генетической информации. Как раз в то время установилась задача молекулярной биологии в изучении свойств, структуры и взаимодействия белков и нуклеиновых кислот.

В 1944 году американский биолог Освальд Эвери с коллегами (Колином Маклеодом и Маклином Маккарти) доказал, что веществом, вызывающим трансформацию бактерий, является ДНК, а не белки. Эксперимент послужил доказательством роли ДНК в передаче наследственной информации, перечеркнув устаревшие знания о белковой природе генов.

В начале 50-х годов Фредерик Сенгер показал, что белковая цепь — уникальная последовательность аминокислотных остатков. В 1951 и 1952 годах ученый определил полную последовательность двух полипептидных цепей — бычьего инсулина В (30 аминокислотных остатков) и А (21 аминокислотный остаток) соответственно.

Примерно в то же время, в 1951–1953 гг., Эрвин Чаргафф сформулировал правила о соотношении азотистых оснований в ДНК. Согласно правилу, вне зависимости от видовых различий живых организмов в их ДНК количество аденина (A) равно количеству тимина (T), а количество гуанина (G) равно количеству цитозина (C).

В 1953 году доказана генетическая роль ДНК. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик на основе рентгенограммы ДНК, полученной Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом, установили пространственную структуру ДНК и выдвинули подтвердившееся позднее предположение о механизме ее репликации (удвоении), лежащем в основе наследственности.

1958 год — формирование центральной догмы молекулярной биологии Фрэнсисом Криком: перенос генетической информации идет в направлении ДНК → РНК → белок.

Суть догмы состоит в том, что в клетках имеется определенный направленный поток информации от ДНК, которая, в свою очередь, представляет собой исходный генетический текст, состоящий из четырех букв: A, T, G и C. Он записан в двойной спирали ДНК в виде последовательностей этих букв — нуклеотидов.

Этот текст транскрибируется. А сам процесс называется транскрипцией. В ходе данного процесса происходит синтез РНК, которая является идентичной генетическому тексту, но с отличием: в РНК вместо T стоит U (урацил).

Данная РНК называется информационной РНК (иРНК), или матричной (мРНК). Трансляция иРНК осуществляется при помощи генетического кода в виде триплетных последовательностей нуклеотидов. В ходе этого процесса происходит перевод текста нуклеиновых кислот ДНК и РНК из четырехбуквенного текста в двадцатибуквенный текст аминокислот.

Природных аминокислот существует всего двадцать, а букв в тексте нуклеиновых кислот четыре. Из-за этого происходит перевод из четырехбуквенного алфавита в двадцатибуквенный посредством генетического кода, в котором каждым трем нуклеотидам соответствует какая-либо аминокислота. Так можно сделать из четырех букв целые 64 трехбуквенные комбинации, притом что аминокислот 20. Из этого следует, что генетический код обязательно должен иметь свойство вырожденности. Однако в то время генетический код не был известен, к тому же его даже не начали расшифровывать, но Крик уже сформулировал свою центральную догму.

Тем не менее была уверенность в том, что код должен существовать. К тому времени было доказано, что этот код обладает триплетностью. Это означает, что конкретно три буквы в нуклеиновых кислотах (кодóны) отвечают какой-либо аминокислоте. Этих кодонов всего 64, они кодируют 20 аминокислот. Это означает, что каждой аминокислоте отвечает сразу несколько кодонов.

Таким образом, можно сделать вывод, что центральная догма является постулатом, который гласит о том, что в клетке происходит направленный поток информации: ДНК → РНК → белок. Крик сделал акцент на главном содержании центральной догмы: обратного потока информации происходить не может, белок не способен изменять генетическую информацию.

В этом и заключается основной смысл центральной догмы: белок не в состоянии изменять и преобразовывать информацию в ДНК (или РНК), поток всегда идет лишь в одну сторону.

Спустя время после этого был открыт новый фермент, который не был известен во времена формулировки центральной догмы, — обратная транскриптаза, которая синтезирует ДНК по РНК. Фермент был открыт в вирусах, у которых генетическая информация закодирована в РНК, а не в ДНК. Такие вирусы называют ретровирусами. Они имеют вирусную капсулу с заключенными в нее РНК и специальным ферментом. Фермент и есть обратная транскриптаза, которая синтезирует ДНК по матрице этой вирусной РНК, а эта ДНК потом уже служит генетическим материалом для дальнейшего развития вируса в клетке.

Конечно, данное открытие вызвало большой шок и множество споров среди молекулярных биологов, поскольку считалось, что, исходя из центральной догмы, этого быть не может. Однако Крик сразу объяснил, что он никогда не говорил, что это невозможно. Он говорил лишь то, что никогда не может происходить поток информации от белка к нуклеиновым кислотам, а уже внутри нуклеиновых кислот любого рода процессы вполне возможны: синтез ДНК на ДНК, ДНК на РНК, РНК на ДНК и РНК на РНК.

После формулирования центральной догмы по-прежнему оставался ряд вопросов: как алфавит из четырех нуклеотидов, составляющих ДНК (или РНК), кодирует 20-буквенный алфавит аминокислот, из которых состоят белки? В чем состоит сущность генетического кода?

Первые идеи о существовании генетического кода сформулировали Александр Даунс (1952 г.) и Георгий Гамов (1954 г.). Ученые показали, что последовательность нуклеотидов должна включать в себя не менее трех звеньев. Позднее было доказано, что такая последовательность состоит из трех нуклеотидов, названных кодоном (триплетом). Тем не менее вопрос о том, какие нуклеотиды ответственны за включение какой аминокислоты в белковую молекулу, оставался открытым до 1961 года.

А в 1961 году Маршалл Ниренберг вместе с Генрих Маттеи использовали систему для трансляции in vitro. В роли матрицы взяли олигонуклеотид. В его состав входили только остатки урацила, а пептид, синтезированный с него, включал только аминокислоту фенилаланин. Таким образом впервые было установлено значение кодона: кодон UUU кодирует фенилаланин. Поле них Хар Корана выяснил, что последовательность нуклеотидов UCUCUCUCUCUC кодирует набор аминокислот серин—лейцин—серин—лейцин. По большому счету, благодаря работам Ниренберга и Кораны, к 1965 году генетический код был полностью разгадан. Выяснилось, что каждый триплет кодирует определенную аминокислоту. А порядок кодонов определяет порядок аминокислот в белке.

Главные принципы функционирования белков и нуклеиновых кислот сформулировали к началу 70-х годов. Было зафиксировано, что синтез белков и нуклеиновых кислот осуществляется по матричному механизму. Молекула-матрица несет закодированную информацию о последовательности аминокислот или нуклеотидов. При репликации или транскрипции матрицей служит ДНК, при трансляции и обратной транскрипции — иРНК.

Так были созданы предпосылки для формирования направлений молекулярной биологии, в том числе и генной инженерии. А в 1972 году Пол Берг с коллегами разработал технологию молекулярного клонирования. Ученые получили первую рекомбинантную ДНК in vitro. Эти выдающиеся открытия легли в основу нового направления молекулярной биологии, а 1972 год с тех пор считается датой рождения генной инженерии.

3. Методы молекулярной биологии

Колоссальные успехи в изучении нуклеиновых кислот, строении ДНК и биосинтеза белка привели к созданию ряда методов, имеющих большое значение в медицине, сельском хозяйстве и науке в целом.

После изучения генетического кода и основных принципов хранения, передачи и реализации наследственной информации для дальнейшего развития молекулярной биологии стали необходимы специальные методы. Эти методы позволили бы проводить манипуляции с генами, изменять и выделять их.

Появление таких методов произошло в 1970–1980-х годах. Это дало огромный толчок развитию молекулярной биологии. В первую очередь, эти методы напрямую связаны с получением генов и их внедрением в клетки других организмов, а еще с возможностью определения последовательности нуклеотидов в генах.

3.1. Электрофорез ДНК

Электрофорез ДНК является базовым методом работы с ДНК. Электрофорез ДНК применяется вместе почти со всеми остальными методами для выделения нужных молекул и дальнейшего анализа результатов. Сам метод электрофореза в геле используется для разделения фрагментов ДНК по длине.

Предварительно или после электрофореза гель обрабатывается красителями, которые способны связаться с ДНК. Красители флуоресцируют в ультрафиолетовом свете, получается картина из полос в геле. Для определения длин фрагментов ДНК их можно сравнить с мáркерами — наборами фрагментов стандартных длин, которые наносятся на тот же гель.

Флуоресцентные белки

При исследовании эукариотических организмов в качестве генов-мáркеров сподручно использовать флуоресцентные белки. Ген первого зеленого флуоресцентного белка (green fluorescent protein, GFP) выделили из медузы Aqeuorea victoria, после чего внедрили в различные организмы. После выделяли гены флуоресцентных белков других цветов: синих, желтых, красных. Чтобы получить белки с интересующими свойствами, такие гены были модифицированы искусственно.

Вообще, важнейшими инструментами для работы с молекулой ДНК являются ферменты, осуществляющие ряд превращений ДНК в клетках: ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы и рестриктазы (рестрикционные эндонуклеазы).

Трансгенез

Трансгенезом называется перенос генов из одного организма в другой. А такие организмы называются трансгенными.

Рекомбинантные белковые препараты как раз получают методом переноса генов в клетки микроорганизмов. В основном такими белковыми препаратами являются интерфероны, инсулин, некоторые белковые гормоны, а также белки для производства ряда вакцин.

В иных случаях применяют клеточные культуры эукариот или трансгенных животных, по большей степени, скот, который выделяет нужные белки в молоко. Таким образом получают антитела, факторы свертывания крови и другие белки. Метод трансгенеза используют для получения культурных растений, устойчивых к вредителям и гербицидам, а при помощи трансгенных микроорганизмов очищают сточные воды.

Помимо всего перечисленного, трансгенные технологии незаменимы в научных исследованиях, ведь развитие биологии происходит быстрее с применением методов модификации и переноса генов.

Рестриктазы

Распознаваемые рестриктазами последовательности являются симметричными, поэтому всякого рода разрывы могут происходить либо в середине такой последовательности, либо со сдвигом в одной или обеих нитях молекулы ДНК.

При расщеплении любой ДНК рестриктазой, последовательности на концах фрагментов будут одинаковыми. Они смогут снова соединяться, поскольку имеют комплементарные участки.

Получить единую молекулу можно, сшив данные последовательности при помощи ДНК-лигазы. За счет этого возможно объединять фрагменты двух разных ДНК и получать рекомбинантные ДНК.

3.2. ПЦР

В основе метода лежит способность ДНК-полимераз достраивать вторую нить ДНК по комплементарной нити так же, как при процессе репликации ДНК в клетке.

3.3. Секвенирование ДНК

Стремительное развитие метода секвенирования позволяет эффективно определять особенности исследуемого организма на уровне его генома. Главным преимуществом таких геномных и постгеномных технологий является увеличение возможностей исследования и изучения генетической природы заболеваний человека, для того чтобы заранее принять необходимые меры и избежать болезней.

За счет крупных исследований возможно получать необходимые данные о различных генетических характеристиках разных групп людей, тем самым развивая методы медицины. Из-за этого выявление генетической расположенности к различным заболеваниям сегодня пользуется огромной популярностью.

Подобные методы широко применимы практически во всем мире, в том числе и в России. Из-за научного прогресса происходит внедрение таких методов в медицинские исследования и медицинскую практику в целом.

4. Биотехнология

Биотехнология — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов или их систем для решения технологических задач, а еще создания живых организмов с нужными свойствами путем генной инженерии. Биотехнология применяет методы химии, микробиологии, биохимии и, конечно же, молекулярной биологии.

Основные направления развития биотехнологии (принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей):

Создание и производство новых видов продуктов питания и кормов для животных.
Получение и изучение новых штаммов микроорганизмов.
Выведение новых сортов растений, а также создание средств для защиты растений от болезней и вредителей.
Применение методов биотехнологии для нужд экологии. Такие методы биотехнологии используют для переработки утилизации отходов, очистки сточных вод, отработанного воздуха и санации почв.
Изготовление витаминов, гормонов, ферментов, сывороток для нужд медицины. Биотехнологи разрабатывают усовершенствованные лекарственные препараты, которые ранее считались неизлечимыми.

Крупным достижением биотехнологии является генная инженерия.

Генная инженерия — совокупность технологий и методов получения рекомбинантных молекул РНК и ДНК, выделения отдельных генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы (бактерий, дрожжи, млекопитающих). Такие организмы способны производить конечные продукты с нужными, измененными свойствами.

Методы генной инженерии направлены на конструирование новых, ранее не существовавших сочетаний генов в природе.

Говоря о достижениях генной инженерии, невозможно не затронуть тему клонирования. Клонирование — это один из методов биотехнологии, применяемый для получения идентичных потомков различных организмов при помощи бесполого размножения.

Иными словами, клонирование можно представить как процесс создания генетически идентичных копий организма или клетки. А клонированные организмы похожи или вовсе идентичны не только по внешним признакам, но и по генетическому содержанию.

Небезызвестная овечка Долли в 1966 году стала первым клонированным млекопитающим. Она была получена за счет пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки. Долли являлась генетической копией овцы-донора ядра клетки. В естественных условиях особь формируется из одной оплодотворенной яйцеклетки, получив по половине генетического материала от двух родителей. Однако при клонировании генетический материал взяли из клетки одной особи. Сначала из зиготы удалили ядро, в котором находится сама ДНК. После чего извлекли ядро из клетки взрослой особи овцы и имплантировали его в ту лишенную ядра зиготу, а затем ее пересадили в матку взрослой особи и предоставили возможность для роста и развития.

Тем не менее не все попытки клонирования оказывались удачными. Параллельно с клонированием Долли эксперимент по замене ДНК был проведен на 273 других яйцеклетках. Но только в одном случае смогло полноценно развиться и вырасти живое взрослое животное. После Долли ученые пробовали клонировать и другие виды млекопитающих.

Одним их видов генной инженерии является редактирование генома.

Инструмент CRISPR/Cas базируется на элементе иммунной защитной системы бактерий, который ученые приспособили для внедрения каких-либо изменений в ДНК животных или растений.

CRISPR/Cas является одним из биотехнологических методов манипулирования отдельными генами в клетках. Существует огромное множество применений такой технологии. CRISPR/Cas позволяет исследователям выяснять функцию разных генов. Для этого нужно просто вырезать исследуемый ген из ДНК и изучить, какие функции организма были затронуты.

Некоторые практические применения системы:

Швейцарские ученые значительно усовершенствовали и модернизировали метод редактирования генома CRISPR/Cas, тем самым расширив его возможности. Тем не менее ученые могли модифицировать только один ген за раз, используя CRISPR/Cas-систему. Но сейчас исследователи Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработали метод, с помощью которого возможно одновременно модифицировать 25 генов в клетке.

Для новейшей методики специалисты использовали фермент Cas12a, а не фермент Cas9, применяемый в большинстве методов CRISPR/Cas.

Читайте также: