Биотехнология и генная инженерия технологии 21 века реферат

Обновлено: 02.07.2024

Выполнила: студентка 1-го курса естественно-географического факультета отделения социально-культурного сервиса и туризма Калугина П.

Проверил: Золотов Г.В.

II .БИОТЕХНОЛОГИИ

1. История биотехнологии

2. Микробиологический синтез

3. Плазмиды

4. Биотехнологическая промышленность

Заключение. Роль генной инженерии и биотехнологий в выживании человечества.

В данном реферате рассматриваются основные характеристики, проблемы и перспективы такой новейшей технологии, как генная инженерия. В настоящее время эта тема весьма актуальна. По прогнозам учёных к концу 21-го века население Земли может увеличиться до 10 миллиардов. Как прокормить такое количество людей качественной пищей, если и при 6 миллиардах в некоторых регионах население голодает? Впрочем, даже если бы такой проблемы не существовало, то человечество, для решения других своих проблем, стремилось бы внедрять в сельское хозяйство наиболее производительные биотехнологии. Одной из таких технологий как раз и является генная инженерия.

Любое растение или животное имеет различные признаки. За наличие каждого признака отвечает определённый ген. Ген - от греческого genos, и переводится как "род", "происхождение". Ген - это маленький сегмент молекулы ДНК и он порождает определённый признак растения или животного. Если убрать ген, отвечающий за появление определённого признака, то исчезнет и сам признак. И, наоборот, если добавить, например, растению новый ген, то у растения появится и новый признак. Изменённое же растение может теперь именоваться мутантом (с лат.- изменённый).

В 1962 г. Уотсон и Крик совершили одно из величайших открытий, установив молекулярную структуру ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и определив ее роль в передаче наследственной информации. Позднее группа американских исследователей сообщила о выделении в лаборатории первой гибридной (рекомбинантной) молекулы ДНК – то есть вещества, объединившего в себе гены разных организмов. С этого момента формально и взяла старт генная инженерия. Притягательность трансгенов кроется в том существенном факте, что биотехнологии позволяют выводить новые культуры за 2-3 года. Обычные же методы селекции путем отбора и скрещивания - 10 и более лет.

3. Наиболее впечатляющие достижения

Первым искусственно изменённым продуктом стал помидор. Его новым свойством стала способность месяцами лежать в недоспелом виде. Но как только такой помидор помещался в тепло, он за несколько часов становится спелым. Оказалось, что в этот помидор для увеличения морозоустойчивости вживили ген североамериканской плоской рыбы.

Американские компании планируют наладить массовое производство клонированных цыплят.

Ученые размножают эмбриональные стволовые клетки донора, из которых развиваются все ткани. Затем эти клетки имплантируются в обычное яйцо. Ученые добились, чтобы донорских клеток было более 95 %, и даже создали 100-процентного клона.

Американцы добились изменения клубники, тюльпанов. Они планируют получить помидоры кубической формы, чтобы их было легче упаковывать в ящики. Швейцарцы начали выращивать кукурузу, которая выделяет собственный яд против вредителей. Идут работы по созданию пластмассы, которая бы разрушалась, попадая в окружающую среду.

4. Преимущества генной инженерии

2.Путем генетической модификации растений можно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами и гербицидами.

3.Генетически измененным продуктам могут быть приданы лечебные свойства. Ученым уже удалось создать банан с содержанием анальгина и салат, вырабатывающий вакцину против гепатита B.

5.Модифицированные виды помогут решить и некоторые экологические проблемы. Конструируются растения, эффективно поглощающие цинк, кобальт, кадмий, никель и прочие металлы из загрязненных промышленными отходами почв.

Выведение генетически модифицированных видов растений и животных представляет определенную опасность, обусловленную непредсказуемостью их развития и поведения в естественной среде. Риски, связанные с применением генной инженерии, разделяют на три категории: экологические, медицинские и социально-экономические.

5.1. Экологические риски

1. Появление супервредителей. Как известно, в экстремальных условиях, таких как процесс вытеснения вредителей, скорость мутаций растет, и неизвестно, сколько понадобится насекомым времени для того, чтобы приспособиться к новым условиям окружающей среды.

2. Нарушение природного баланса. Уже доказано, что многие ГМ-растения, такие, как ГМ-табак или технический рис, применяемый для производства пластика и лекарственных веществ, смертельно опасны для живущих на поле или рядом с ним грызунов.

5.2. Медицинские риски

1.Повышенная аллергеноопасность. В 1996 году генный инженер Университета штата Небраска, подтвердил: при попытке повысить содержание белка в ГМ-сое в нее вместе с геном бразильского ореха был перенесен аллерген. Тестирование ГМ-продуктов на аллергиках не входит в обязательную программу испытаний новых продуктов, а поэтому то, что аллерген был вовремя замечен, можно назвать счастливой случайностью.

2.Возможная токсичность и опасность для здоровья . В 1989 году одна из японских химических компаний поставила на американский рынок новый ГМ-вариант известной пищевой добавки L-tryptophan. В результате 37 человек погибли, а более 5000 стали инвалидами с потенциально смертельным диагнозом - синдром эозиафильной миалгии (неизлечимое заболевание крови).

3.Возникновение новых и опасных вирусов . Экспериментально показано, что встроенные в геном гены вирусов могут соединяться с генами инфекционных вирусов. Такие новые вирусы могут быть более агрессивными, чем исходные.

5.3. Социально- экономические риски

Сторонники генной инженерии заявляют, что создаваемые с ее помощью продукты могут решить проблему мирового голода. Однако их оппоненты подчеркивают потенциальную опасность сосредоточения генетических технологий в руках частных компаний через патентование определенных жизненных форм, которые могут вытеснить традиционные сельскохозяйственные культуры и породы животных.

6. Перспективы генной инженерии

Особенности новых технологий могут привести к большим опасностям. Разрушающий самовоспроизводящийся объект, специально созданный и оказавшийся вне контроля, может стать средством массового поражения. Угрозой будет само знание. Однако успех в этой отрасли науки сможет поднять производительность труда и способствовать решению многих существующих проблем,; но, в то же время, создать новые разрушительные средства.

II .БИОТЕХНОЛОГИИ

Биотехнология — интеграция естественных и инженерных наук, реализующая возможности живых организмов для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения. Она представляет собой систему приёмов использования процессов жизнедеятельности живых организмов для получения промышленным способом ценных продуктов.

1.История биотехнологии

Были разработаны рекомендации по улучшению технологий обработки биохимического сырья, совершенствованию технологий хлебопечения, производства чая и табака и т. п., а также рекомендации по повышению урожая культурных растений путём управления протекающими в них биохимическими процессами.

В производственном отношении основой биотехнологии стала микробиологическая промышленность. Микроорганизмы использовали как средство повышения интенсивности биохимических процессов и как миниатюрные синтетические фабрики, способные синтезировать внутри своих клеток сложнейшие химические соединения.

Перелом в науке был связан с открытием и началом производства антибиотиков. Первый — пенициллин — был выделен в 1940 году.

Затем были открыты и другие антибиотики. Позднее появились новые задачи: налаживание производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами; работа над повышением уровня доступности новых лекарств. Синтезировать антибиотики химически было очень дорого и почти невозможно. Было решено использовать микроорганизмы, синтезирующие пенициллин и другие антибиотики. Так возникло важнейшее направление биотехнологии, основанное на использовании процессов микробиологического синтеза.

2. Микробиологический синтез. Развитие микробиологической промышленности, выпускающей продукты биосинтеза, позволило накопить очень важный опыт конструирования и эксплуатации нового промышленного оборудования. В настоящее время с помощью микробиологического синтеза производят антибиотики, ферменты, аминокислоты, и другие. Сейчас химическая промышленность для производства горючего, ацетона и других веществ использует как исходное сырьё нефть, газ и уголь. Но их запасы не безграничны.

А в микробиологической промышленности для производства химических продуктов могут использоваться неограниченные массы органического сырья, отходов, образующихся в сельском хозяйстве, лесной промышленности, очистных сооружениях городов и т. п. Разработка и внедрение эффективных технологий такого производства — задача, имеющая большое значение для экономики народного хозяйства.

Важным направлением биотехнологии является производство и использование так называемых иммобилизованных ферментов . Эти ферменты обеспечивают осуществление химических реакций без высоких температур и давлений и ускоряют их в миллионы и миллиарды раз. При этом каждый фермент катализирует только одну определённую реакцию. Биологические катализаторы можно использовать также не извлекая их из живых организмов, прямо в бактериальных клетках. Этот способ - основа всякого микробиологического производства.

Для того чтобы стабилизировать (иммобилизовать) ферменты, сделать их пригодными для многократного промышленного использования, их присоединяют с помощью прочных химических связей к нерастворимым или растворимым носителям — ионообменным полимерам, пористому стеклу, полисахаридам и т. п. В результате ферменты становятся устойчивыми и могут быть использованы многократно. Разработка способа повышения устойчивости ферментов значительно расширяет возможности их использования. С помощью ферментов можно, например, получать сахар из растительных отходов.

Наибольшие успехи были достигнуты в области изменения генетического аппарата бактерий. Вводить новые гены в геном бактерии научились с помощью кольцеобразных молекул ДНК — плазмид, присутствующих в бактериальных клетках.

4. Биотехнологическая промышленность

Биотехнологическую промышленность разделяют на четыре направления:

Очевидно, что биотехнология имеет огромное будущее. И дальнейшее её развитие тесно связано с одновременным развитием всех важнейших отраслей биологической науки, исследующих живые организмы на разных уровнях их организации.

Методом генной инженерии получен уже ряд препаратов, в том числе инсулин человека и противовирусный препарат интерферон (интерферон – возможное средство лечения рака и СПИДа). И хотя эта технология еще только разрабатывается, она сулит достижение огромных успехов и в медицине, и в сельском хозяйстве. В медицине это весьма перспективный путь создания и производства вакцин. В сельском хозяйстве с помощью рекомбинантной ДНК могут быть получены сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомым-вредителям и гербицидам.

Развитие генной инженерии сделает возможным улучшение генотипа человека. Масштабные задачи, стоящие сегодня перед человечеством требуют людей талантливых во многих отраслях, совершенных и высокоразвитых личностей, обладающих идеальным здоровьем, высочайшими физическими и умственными способностями. Таких людей можно будет создать методами генной, генетической и клеточной инженерии. Эти методы будут применимы как к только появляющимся на свет детям, так и к уже взрослым людям.

Человек сможет многократно усилить свои собственные способности, и увеличить способности своих детей. Уже сегодня многие всемирно известные учёные, такие как Уотсон, один из первооткрывателей ДНК, говорят о том, что человеческая глупость, например, является по сути своей генетическим заболеванием и в будущем будет излечима.

Будут полностью ликвидированы генетические причины заболеваний, все люди будут совершенно здоровыми. Старение будет остановлено и никому не придётся сталкиваться с увяданием, дряхлостью. Люди станут практически бессмертными - смерть будет становиться всё более редким явлением, перестав быть неизбежностью.

Прогресс вряд ли остановится на исправлении недостатков. Излечив болезни и остановив старение, человек примется за улучшение собственного организма, за его перестройку по собственным планам и желаниям. Люди смогут произвольным образом лепить свое собственное тело и мозг, добавлять себе новые способности, возможность жить под водой, летать, питаться энергией солнечного света, добавлять новые отделы мозга, новые органы тела.

Но человек вряд ли ограничится собственной перестройкой. Любой организм, существование которого не противоречит законам природы, сможет быть создан. Новые виды животных, растений и даже совершенно новых существ будут создаваться в промышленных целях, как форма творчества, для освоения космоса. Кроме того, человек наверняка захочет помочь братьям своим меньшим подняться с животного уровня. С помощью генной модификации можно будет усилить интеллект собак, шимпанзе, дельфинов, других животных.

Таким образом, биотехнология в совокупности с другими научными направлениями открывает новую эру взаимодействия человека с окружающей средой и, особенно, с живым веществом биосферы.

Генная инженерия - удивительное явление в науке, когда разработка новой методологии дает мощный толчок развитию нашего понимания окружающей природы, ее сокровенных глубин.

Исследования в области генной инженерии вносят уникальный вклад в изучение структурной и функциональной организации геномов различных организмов. Методология генной инженерии постоянно совершенствуется, и все больше исследователей используют ее для решения самых разных задач биологической науки.

Штаммы бактерий, дрожжей и клеточные линии были созданы с использованием методов генной инженерии, которые с высокой эффективностью производят биологически активные белки человека и животных. Это позволяет получать эукариотические полипептиды в огромных количествах по сравнению с недавним прошлым, что упрощает процедуру их очистки до индивидуального состояния. Работа по созданию штаммов-продуцентов очень важна для медицины и ветеринарии и революционизирует быстро развивающуюся отрасль - биотехнологию. Чрезвычайно интересны исследования по созданию трансгенных животных и растений, содержащих и выражающих чужеродную генетическую информацию.

Общие принципы и методы генной инженерии

Генная инженерия - это новая отрасль экспериментальной молекулярной биологии. Возникновение его методологии стало возможным благодаря предыдущей работе многих исследователей в различных областях биохимии и молекулярной генетики. Основные достижения, которые привели к зарождению и успешному развитию генной инженерии, включают следующее:

доказательство в 1944 г. О. Эйвери с соавторами роли ДНК как носителя генетической информации и открытие в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком структуры ДНК;
экспериментальное подтверждение универсальности генетического кода;
интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой являются в первую очередь бактерия Escherichia coli, а также ее вирусы и плазмиды;
разработка простых методов выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК плазмид и вирусов;
разработка методов введения в чувствительные клетки молекул ДНК вирусов и плазмид в биологически активной форме, обеспечивающей репликацию молекул ДНК и / или экспрессию кодируемых ими генов;
открытие ряда ферментов, использующих ДНК в качестве субстрата для катализируемых ими реакций, особенно рестрикционных ферментов и ДНК-лигаз.

Объединение в начале 1970-х гг. ранее независимо разработанные методы позволили создать современную стратегию генной инженерии, суть которой заключается в следующем:

фрагменты молекул ДНК любого исследуемого организма или искусственно синтезированные сегменты ДНК ферментативно встраиваются в небольшую молекулу ДНК, способную реплицироваться в клетке автономно от хромосомы (плазмидная или вирусная ДНК);
полученные молекулы (гибридная ДНК) вводятся в чувствительные прокариотические или эукариотические клетки, где они реплицируются, умножая встроенные фрагменты ДНК в свой состав;
с помощью определенных методов отбираются клоны клеток или вирусов, содержащие отдельные типы гибридных молекул ДНК;
идентифицированные гибридные ДНК подвергаются разностороннему структурно-функциональному изучению, особую роль играют высокоэффективные методы расшифровки нуклеотидной последовательности (секвенирование) фрагментов ДНК.

Применение генной инженерии в медицине

Синтез чужеродных белков для медицинского использования в растениях

Растения использовались в медицинских целях на протяжении тысяч лет, но генная инженерия позволила создать новые растения, белковые продукты которых важны для лечения различных заболеваний. Гены терапевтически важных белков человека и животных можно вводить в различные системы экспрессии, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Идеальная система экспрессии - это самая безопасная и обеспечивающая производство биологически активного продукта с наименьшими затратами. Система клеток млекопитающих может синтезировать человеческие и животные белки, которые максимально похожи на природные белки, но культивирование таких клеток является дорогостоящим и ограниченным по масштабу. Бактерии могут производиться в больших масштабах, но синтезируемые в них эукариотические белки не всегда имеют правильную третичную структуру. Кроме того, они не могут подвергаться посттрансляционной модификации.

Производство рекомбинантных белков в растениях имеет ряд потенциальных преимуществ перед другими системами экспрессии чужеродных генов. Растительные системы дешевле, чем выращивание в биореакторах (ферментерах). Все, что требуется для нормальной жизни растений, - это содержащиеся в почве минеральные соединения, вода, энергия солнечного света и углекислый газ. В растениях возможна посттрансляционная модификация синтезированных чужеродных полипептидов. Обязательным условием образования функционально активных белков является правильная укладка полипептидной цепи. У млекопитающих за это ответственны по крайней мере два шаперона, BiP / GRP78 и GRP94. У высших растений сигнальные последовательности (например, Lys-Arg-Glu-Leu на С-конце полипептида) направляют белки в эндоплазматический ретикулум, где обнаруживаются шапероны, гомологичные BiP / GRP78 и GRP94.

Важной особенностью растений по сравнению с культурами клеток млекопитающих и трансгенных животных является то, что они не могут вырабатывать такие патогены человека и животных, как вирусы, прионы и т. д., что обеспечивает гораздо большую безопасность генно-инженерных продуктов, выделенных из растений. Примеры в таблице.

Уже существуют технологии сбора и обработки растений в больших объемах, что значительно упрощает и удешевляет работу с посевами трансгенных растений.

Белки, образующиеся в семенах, клубнях и плодах, очень стабильны и могут храниться в них без изоляции в течение длительного времени.

Очистка значительно увеличивает стоимость медицинских рекомбинантных белков. Когда некоторые белки синтезируются в зернах риса, пшеницы, плодах томатов, бананов и т. д., возможно введение их в организм алиментарно (с пищей) без предварительной очистки, что значительно удешевит стоимость таких препаратов.

Наиболее впечатляющие практические достижения

Среди многих достижений генной инженерии, получивших применение в медицине, наиболее значительным является производство человеческого инсулина в промышленных масштабах.

Все широко и печально известны таким заболеванием, как сахарный диабет, когда человеческий организм теряет способность вырабатывать физиологически важный гормон инсулин. В результате в крови накапливается сахар, и пациент может умереть. Инсулин издавна получают из органов животных и применяют в медицинской практике. Однако длительное применение животного инсулина приводит к необратимому повреждению многих органов пациента из-за иммунологических реакций, вызванных инъекцией инсулина животного происхождения, чужеродного для человеческого организма. Но даже потребность в инсулине животного происхождения до недавнего времени удовлетворялась лишь на 60-70%. Так, в 1979 году из 6 миллионов пациентов во всем мире только 4 миллиона получали инсулин. Пациенты умерли без лечения инсулином. А если учесть, что среди больных сахарным диабетом много детей, становится ясно, что для многих стран эта болезнь превращается в национальную трагедию.

Генные инженеры решили клонировать ген инсулина в качестве первой практической задачи. Клонированные гены человеческого инсулина были вставлены с плазмидой в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные штаммы микробов никогда не синтезировали. С 1982 года фирмы в США, Японии, Великобритании и других странах производят генно-инженерный инсулин. Проблема решена. Приблизительно 200 г инсулина получается из 1000 литров бактериальной культуры, что равно количеству, полученному из 1600 кг поджелудочной железы животных. Параллельно решалась проблема иммунологического поражения организмов диабетиков инсулином животного происхождения.

Производство и продажа инсулина была начата американской фирмой Eli Lilly. Мировой рынок инсулина в настоящее время составляет более 400 миллионов долларов, годовое потребление - около 2500 кг.

Более двадцати фирм в Японии и несколько американских фирм разрабатывают еще один очень важный препарат - интерферон, который эффективен при различных вирусных заболеваниях и злокачественных новообразованиях. Первым из этих соединений, появившихся на рынке, был интерферон альфа, за ним последовал интерферон бета.

Другой эффективный противораковый препарат - интерлейкин - производится в Японии и США. Интересно отметить, что сегодня американский рынок генно-инженерных лекарств сопоставим с такими распространенными лекарствами, как антибиотики. К 2000 году стоимость продуктов, созданных с помощью генной инженерии, в Соединенных Штатах достигнет 50 миллиардов долларов в год.

В медицинскую практику уже внедрено около 200 новых диагностических препаратов, более 100 генно-инженерных препаратов проходят клинические исследования. Среди них лекарства, которые лечат артроз, сердечно-сосудистые заболевания, некоторые опухолевые процессы и, возможно, даже СПИД. Среди нескольких сотен фирм генной инженерии 60% работают над производством лекарств и диагностических продуктов.

Генная терапия

Неблагоприятная экологическая обстановка и ряд других подобных причин приводят к тому, что все больше детей рождается с серьезными наследственными дефектами. В настоящее время известно 4000 наследственных заболеваний, для большинства из которых не найдено эффективного лечения.

Генные инженеры уже внесли свой вклад в решение этой проблемы, разработав диагностические продукты, которые могут обнаруживать генетические аномалии во время беременности, что позволяет предотвратить рождение больного ребенка. Однако более одного процента всех новорожденных имеют генетические заболевания, которые приводят к физическим и умственным нарушениям, а также к ранней смерти.

Наиболее многообещающие результаты ожидаются в случаях, когда заболевание вызвано дефектом одного гена. В этом случае считается, что можно будет ввести нормальный ген в соматические клетки, нацеленный на то место на хромосоме, где находится дефектный ген. При гомологичной рекомбинации введенный ген заменит дефектный. В некоторых случаях одной такой процедуры будет достаточно, чтобы вылечить болезнь. Однако на практике очень сложно контролировать судьбу внедренной в клетки ДНК, и для одной правильной вставки в ген приходится более 1000 случайных. Разрабатывается другой подход, когда введенный ген не заменяет дефектный, а компенсирует его функцию, вставляя в хромосому в другом месте.

Исследования ведутся очень интенсивно, хотя до реализации программы лечения большинства наследственных заболеваний еще предстоит пройти долгий и трудный путь. Способность вылечить такие заболевания путем введения нормальных генов - это настолько благородное дело, что в некоторых странах исследования генной терапии считаются высшим приоритетом и финансируются в первую очередь.

Заключение

В заключение хочу скачать, что генная инженерия - молодая отрасль науки и сложно предсказать, что произойдет. Но ее вклад в медицину неоспорим, благодаря генной инженерии излечены многие болезни, и у нее много перспектив.

Генная инженерия может перевернуть всю сущность человечества и начать новую эру или вызвать смерть, если это не используется во благо человечества.

Список литературы

Посмотрите похожие темы рефератов возможно они вам могут быть полезны:

Я считаю, что мой реферат актуален для нашего времени, ведь по заверениям ученых демографов, в ближайшие двадцать лет население земного шара удвоится, прокормить такое количество людей будет просто невозможно. Следовательно, уже сейчас пора подумать о том, как с наименьшими потерями поднять урожайность сельхозугодий вдвое. Поскольку для обычной селекции срок в два десятилетия крайне мал, то остается механическая модификация генетического кода растений. Можно, например, добавить ген устойчивости к насекомым-вредителям или сделать растение более плодовитым. Это основной довод трансгенетиков.

дать определение генной инженерии;
рассмотреть методы генной инженерии;
выявить основные механизмы генной инженерии
выяснить достижения генной инженерии;
рассмотреть преимущества и недостатки генной инженерии;
рассмотреть интересные факты по генной инженерии.

Генная инженерия - это сумма методов, позволяющих переносить гены из одного организма в другой, или - это технология направленного конструирования новых биологических объектов.

Генная инженерия не является наукой – это только набор инструментов, использующий современные достижения клеточной и молекулярной биологии, генетики, микробиологии и вирусологии.

С поразительной настойчивостью и упорством человек стал добиваться поставленной цели и к концу первого десятилетия XXI века достиг очень многого. Он научился выделять ген из организма и синтезировать его в лабораторных условиях; освоил технологии видоизменения гена для придания ему нужной структуры; нашёл способы введения в ядро клетки преобразованного гена и присоединения его к существующим генетическим образованиям.

II. Методы генной инженерии

1. Гибридологический анализ - основной метод генетики. Он основан на использовании системы скрещивания в ряде поколений для определения характера наследования признаков и свойств.

2. Генеалогический метод заключается в использовании родословных. Для изучения закономерностей наследования признаков, в том числе наследственных болезней. Этот метод в первую очередь принимается при изучении наследственности человека и медленно плодящихся животных.

3. Цитогенетический метод служит для изучения строения хромосом, их репликации и функционирования, хромосомных перестроек и изменчивости числа хромосом. С помощью цитогенетики выявляют разные болезни и аномалии, связанные с нарушением в строении хромосом и изменение их числа.

4. Популяционно - статический метод применяется при обработке результатов скрещиваний, изучения связи между признаками, анализе генетической структуры популяций и т.д.

5. Иммуногенетический метод включают серологические методы, иммуноэлектрофорез и др., кот используют для изучения групп крови, белков и ферментов сыворотки крови тканей. С его помощью можно установить иммунологическую несовместимость, выявить иммунодефициты и т.д.

6. Онтогенетический метод используют для анализа действия и проявление генов в онтогенезе при различных условиях среды. Для изучения явлений наследственности и изменчивости используют биохимический, физиологический и другие методы.

Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:

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

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

3. конструирование рекомбинантной ДНК;

4. гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические последовательности РНК или ДНК с большей точностью и чувствительностью;

5. 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;

6. введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы.

III. Основные механизмы генной инженерии

(Технология рекомбинантной ДНК)

Суть генной инженерии сводится к следующему: биологи, зная, какой ген за что отвечает, выделяют его из ДНК одного организма и встраивают в ДНК другого. В результате можно заставить клетку синтезировать новые белки, что придает организму новые свойства.

Мы знаем, что обмен генетической информацией происходит и в природе, но только между особями одного вида. Случаи же скрещивания особей разных видов (например, собаки и волка) являются исключением.

Перенос генов от родителей к потомкам внутри одного вида называется вертикальным. Так как возникающие при этом особи, как правило, очень похожи на родителей, в природе генетический аппарат обладает высокой точностью и обеспечивает постоянство каждого вида.

Всё это стало возможно благодаря ферментам – образованиям на основе белка, отвечающим за организацию работы клетки. В частности можно назвать такие ферменты, как рестриктазы. Одна из их функций – защита клетки от инородных генов. Чужая ДНК разрезается этим надёжным стражем на отдельные части, причём существует множество различных рестриктаз, каждая из которых наносит удар в строго определённом месте.

Подобрав набор таких ферментов, можно без труда расчленять молекулу на требуемые участки. Затем необходимо их соединить, но уже по новому. Тут помогает природное свойство генетического материала воссоединяться друг с другом. Помощь в этом оказывают также ферменты лигазы, задача которых заключается именно в соединении двух молекул с образованием новой химической связи.

Непохожий ни на что гибрид создан. Представляет он собой молекулу ДНК, несущую новую генетическую информации. Такое образование в генной инженерии называют вектором. Его главная задача – передача новой программы воспроизводства намеченному для этой цели живому организму. Но ведь последний может её проигнорировать, отторгнуть и руководствоваться только родными генетическими программами.

Такое невозможно, благодаря явлению, которое носит название трансформация у бактерий и трансфекция у человека и животных. Суть его заключается в том, что если клетка организма поглотила свободную молекулу ДНК из окружающей среды, то она всегда встраивает её в геном. Это влечёт за собой появление у такой клетки новых наследственных признаков, запрограммированных в поглощённую ДНК.

Поэтому, чтобы новая генетическая программа начала работать, необходимо только одно, – чтобы она оказалась в нужной клетке. Это сделать не просто, так как такое сложное образование, как клетка, имеет множество защитных механизмов, препятствующих проникновению в неё чужеродных объектов.

Накладки и недоработки учитываются и тщательно анализируются. Непрерывно идут работы, изучающие различные комбинации генов: удаление части их из молекулы или наоборот – добавление составляющих, совсем не свойственных данному живому организму.

Горизонтальный перенос генов у прокариот – это не просто лабораторный результат генной инженерии, а распространенное природное явление.

Установлены три основных механизма латерального переноса: трансформация, коньюгация и трансдукция.

1. Трансформация – это нормальная физиологическая функция обмена генетическим материалом у некоторых бактерий.

2. Конъюгацияимеет наименьшее число ограничений для межвидового обмена генетической информацией, но предполагает тесный физический контакт между микроорганизмами, легче всего достижимый в биопленках.

3. Трансдукция (от лат. transductio – перемещение) – это перенос генетического материала из одной клетки в другую с помощью некоторых вирусов (бактериофагов), что приводит к изменению наследственных свойств клетки реципиента.

К наиболее опасным заболеваниям, вызываемым вирусами у животных и человека, относят бешенство, оспу, грипп, полиомиелит, СПИД, гепатит и др. Вирусы обладают вирулентность – это степень болезнетворного действия микроба. Ее можно рассматривать как способность адаптироваться к организму хозяина и преодолевать его защитные механизмы.

IV. Достижения генной инженерии

В наши дни успехи и достижения видны невооружённым глазом. Если рассмотреть такую сферу человеческой деятельности, как сельское хозяйство, то здесь генная инженерия добилась самых впечатляющих результатов.

С начала 80-х годов получено множество геномодифицированных сортов зерновых культур. На конец первого десятилетия XXI века ими засеяно 120 млн. га. земельных угодий по всему миру. Отмечен высочайший уровень урожайности, его потрясающая устойчивость к неблагоприятным климатическим условиям и полное отсутствие паразитов, пожирающих необходимые для людей злаки.

Выведены невиданные раньше сорта картофеля, кукурузы, сои, риса, рапса, огурцов.

Генная инженерия может скрещивать помидоры с картошкой, огурцы с луком, виноград с арбузами – возможности здесь просто потрясающие. Размеры и аппетитный свежий вид полученного продукта могут приятно удивить любого.

Скоро слова инсектициды, акарициды, пестициды будут надёжно забыты, так как внедрённые в растительную клетку овоща, фрукта или зерновой культуры молекулы ДНК, определённых видов бактерий, уничтожат и колорадского жука, и хлопковую совку, и листовёртку, и многих-многих других вредителей сельскохозяйственных угодий.

Животноводство также находится в зоне интересов генной инженерии. Исследования по созданию трансгенных овец, свиней, коров, кроликов, уток, гусей, кур считаются в наши дни приоритетными. Здесь большое внимание уделяется именно животным, которые вполне могли бы синтезировать различные лекарственные препараты: инсулин, гормоны, интерферон, аминокислоты.

Значительный прогресс достигнут в практической области создания новых продуктов для медицинской промышленности и лечения болезней человека. В настоящее время фармацевтическая промышленность завоевала лидирующие позиции в мире, что нашло отражение не только в объёмах промышленного производства, но и в финансовых средствах, вкладываемых в эту промышленность.

В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин.

Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока. Для получения 100г кристаллического инсулина требуется 800-1000кг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200-250грамм. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков.

Компания "Genentec" в 1980 году разработала технологию производства соматотропина с помощью бактерий. В 1982 году гормон роста человека был получен в культуре E. coli и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР.

V. Преимущества и недостатки генной инженерии

Преимущества генной инженерии:

Б) Можно существенно расширить ареалы посева сельхозпродуктов, приспособив их к экстремальным условиям, таким, как засуха и холод.

В) Путем генетической модификации растений можно существенно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами и гербицидами. Ярким примером здесь является уже состоявшееся внедрение в геном кукурузы гена земляной бактерии Bacillus thuringiensis, уже снабжающего растение собственной защитой, так называемым Bt-токсином, и делающего по замыслу генетиков дополнительную обработку бессмысленной.

Г) Генетически измененным продуктам могут быть приданы лечебные свойства. Ученым уже удалось создать банан с содержанием анальгина и салат, вырабатывающий вакцину против гепатита B.

Д) Еда из генетически измененных растений может быть дешевле и вкуснее.

Е) Модифицированные виды помогут решить и некоторые экологические проблемы. Конструируются растения, эффективно поглощающие цинк, кобальт, кадмий, никель и прочие металлы из загрязненных промышленными отходами почв.

Ё) Генная инженерия позволит улучшить качество жизни, очень вероятно - существенно продлить её; есть надежда найти гены, ответственные за старение организма и реконструировать их.

Недостатки генной инженерии:

В настоящее время генная инженерия технически несовершенна, так как она не в состоянии управлять процессом встраивания нового гена. Выведение генетически модифицированных видов растений и животных представляет определенную опасность, обусловленную непредсказуемостью их развития и поведения в естественной среде.

Экологические риски: 1) появление супервредителей; 2) нарушение природного баланса; 3) выход трансгенов из-под контроля.

Медицинские риски: 1) Повышенная аллергеноопасность; 2) Возможная токсичность и опасность для здоровья; 3) Устойчивость к действиям антибиотиков; 4) могут возникнуть новые и опасные вирусы.

Социально - экономических причинпо которым генетически измененные растения считаются опасными:

1. они представляют угрозу для выживания миллионов мелких фермеров.

2. Они сосредоточат контроль над мировыми пищевыми ресурсами в руках небольшой группы людей. Всего десять компаний могут контролировать 85% глобального агрохимического рынка.

3. Они лишат западных потребителей свободы выбора в приобретении продуктов.

VI. Интересные факты генной инженерии

1. Факт. В 2005 году на биотехнологические продукцию и услуги в области ветеринарии в США планировалось потратить более 5 млрд. долларов. По данным Департамента сельского хозяйства США (USDA), на различные виды биотехнологической продукции для животных выдано 105 лицензий. Это – ветеринарные вакцины, биопрепараты и средства диагностики.

2. Факт. Первые живые существа, полученные с помощью генной инженерии – декоративные рыбки GloFish – появились на рынке в январе 2004 года. В них вживили ген морского анемона, и если наблюдать за этими рыбками в темноте, они флюоресцируют ярким красным светом.

3. Факт. Домашние животные, такие, как собаки и кошки, получают немало пользы от произведенных с помощью биотехнологии вакцин и диагностических наборов.

4. Факт. Проведенные исследования показали, что животные - клоны едят, пьют и ведут себя абсолютно также, как и обычные животные.

5. Факт. Успешно были клонированы, по крайней мере, три вида исчезающих животных: европейский муфлон и дикие быки гаур и бантенг. Клонированного бантенга вы можете увидеть в зоопарке города Сан-Диего, Калифорния.

6. Факт. В 1984 году в одной из американских клиник пациенту вживили сердце бабуина, которое проработало в течение 20 дней. Сегодня врачи регулярно используют сердечные клапаны свиней для пересадки их человеку, а также пересаживают кожу этих животных людям, пострадавшим от ожогов. Несколько групп исследователей в разных странах работают над созданием генетически модифицированных свиней, органы которых при пересадке человеку не будут отторгаться его иммунной системой.

7. Факт. Животные, выращенные с помощью биотехнологии, если и отличаются от обычных животных, то в лучшую сторону: клонирование и генная инженерия – это всего лишь еще один инструмент для выведения новых пород, а этим люди тысячи лет занимались неосознанно и около ста лет – на основе данных генетики. Ученые и технический персонал заботятся об экспериментальных животных куда лучше, чем фермер – о своем стаде обычных животных.

8. Факт. Несколько групп ученых в разных странах исследовали мясо и молоко клонированных животных по сотне показателей и не нашли отличий от мяса и молока животных, зачатых обычным путем.

9. Факт. Действительно, при клонировании или получении генетически модифицированных животных многие эмбрионы оказываются нежизнеспособными, а смертность при родах – выше, чем при обычном разведении животных.

10. Факт. В целом состояние здоровья клонов и традиционных животных не отличаются – это доказали десятилетние исследования, проведенные в том числе Национальной академией наук США.

11. Факт. За животными - клонами и за животными, которых используют в генной инженерии, ухаживают, как показывают наблюдения ветеринаров, с особой заботой.

12. Факт. В действительности Долли прожила даже дольше, чем обычно живут овцы, и умерла в преклонном возрасте из-за развития артрита. Смерть наступила из-за обычной старости, и это никак не связанно с тем, что она была клонирована.

Под генной (генетической) инженерией подразумевают целый комплекс технологий, методов, процессов, посредством которых получают рекомбинантные (созданные благодаря биотехнологии на основе ДНК) РНК и ДНК, а также гены из клеток организмов, осуществляют различные

В 70-е годы XX века создана техника выделения гена из ДНК, а также методика размножения нужного гена. В результате этого возникла генная инженерия. Внедрение в живой организм чужеродной генетической информации и приемы, заставляющие организм эту информацию реализовывать, составляют одно из самых перспективных направлений в развитии биотехнологии. С помощью современных биотехнологий удалось получить ряд лекарств (интерферон, инсулин сыворотка против гипотита и др.) Объектом биотехнологии выступает сегодня не только отдельный ген, но и клетка в целом.

Генная инженерия позволила создать точную копию конкретного организма - клона. Клонированные органы - это спасение для людей, попавших в автомобильные аварии или иные катастрофы, а также нуждающихся в радикальной помощи из - за каких - либо заболеваний. Клонирование может дать возможность бездетным людям иметь своих собственных детей, поможет людям, страдающим тяжелыми генетическими заболеваниями. Более скромная, но не менее важная задача клонирования - регуляция пола сельскохозяйственных животных, а также клонирование в них человеческих генов "терапевтических белков", которые используются для лечения людей, например гемофиликов, у которых мутировал ген, кодирующий белок, участвующий в процессе свертывания крови.

За короткий срок генная инженерия оказала огромное влияние на развитие молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться по пути познания строения и функционирования генетического аппарата, а также генная инженерия обратили внимание человечества на необходимость общественного контроля за всем, что происходит в науке.

Судя по тому, каких успехов добилась генная инженерия за сравнительно небольшой период времени – это не вызывает никакого сомнения. Наоборот, возникает непреклонная убеждённость, что в ближайшие двадцать лет мир изменится до неузнаваемости. Уже сейчас созданы совершеннейшие сложнейшие технологии, кардинально преобразующие жизнь человеческой цивилизации. Гордость, восхищение, восторг – только такими синонимами можно выразить всю гамму чувств.

Список использованной литературы:

1. Бекиш О. - Я.Л. Медицинская биология.

2. Горелов. Концепции современного естествознания.

3. Жигалов Ю.И. Концепции современного естествознания

4. Заяц Р.С. Основы медицинской генетики. Мутовин Г.Р. Основы клинической генетики.

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: