Біотехнологія. Генетична й клітинна інженерія

Згадаєте! Що таке ген? Які особливості будови й життєдіяльності вірусів? Як відбуваються транскрипція й подвоєння ДНК?

Основні напрямки й досягнення біотехнології. Біотехнологія - це сукупність промислових методів, у яких використають живі організми, біологічні процеси або явища. Людина здавна застосовує биотехнологические процеси у виробництві різних речовин і харчових продуктів (сирів, молочних продуктів, тесту, пива й ін.), однак сам термін «біотехнологія» (від греч. биос - життя, технос - мистецтво, майстерність і логос - навчання) була запропонована тільки в 70-і роки XX ст.

У цей час різні види бактерій і грибів використають у мікробіологічній промисловості для виробництва антибіотиків, вітамінів, гормонів, ферментів, кормових білків і ін. продукції. Удосконалюються биотехнологичеокие методики й у харчовій промисловості, де високопродуктивні штами мікроорганізмів дозволяють збільшити випуск їжі-

вых продуктів (кисломолочний, сирів, пива) і кормів (силос, кормові дріжджі) високої якості.

Биотехнологические процеси використають і для очищення навколишнього середовища, зокрема стічних вод і ґрунту, від побутового й промислового забруднення. Методи біологічного очищення засновані на здатності певних видів бактерій як в аеробних, так і в анаэробных умовах розкладати органічні сполуки, що попадають у воду й ґрунт. У результаті селекційної роботи виведені штами, здатні розкладати такі з'єднання, які природні види не можуть минерализовать. Для очищення стічних вод і природних водойм використають здатність деяких організмів накопичувати органічні й неорганічні з'єднання або певні елементи у своїх клітинах (деякі види бактерій, водоростей, найпростіших).

Биотехнологические процеси використають і при розробці біологічних методів боротьби зі шкідниками сільського й лісового господарства, а також паразитичними й кровососущими видами. Застосовуючи штами певних видів мікроорганізмів (бактерій, грибів), виготовляють препарати, що ефективно знижують чисельність шкідників, не забруднюючи при цьому навколишнє середовище токсичними хімічними сполуками. При цьому необхідною умовою використання біологічних препаратів є їхня безпека для інших видів організмів.

Останнім часом у розробці биотехнологических процесів усе ширше використають методи генетичної й клітинної інженерії, що дозволяють одержувати різноманітні з'єднання й препарати.

Генетична (генна) інженерія - це прикладна галузь молекулярної біології, що розробляє методи перебудови геномов організмів шляхом видалення або введення окремих генів або їхніх груп: синтез генів поза організмом; виділення із клітин і перебудова окремих генів або їхніх частин; копіювання й розмноження виділених або синтезованих генів; введення генів або їхніх груп у геном інших організмів; експериментальне об'єднання різних геномов в одній клітині.

Як переносників синтезованих або виділених генів, крім вірусів, використають і плазмиды (отримані головним чином з бактерій). Плазмиды - внехромосомные фактори спадковості, що найчастіше представляють собою кільцеві молекули ДНК (напр., генетичний апарат мітохондрій і хло-ропластов).

Одна з можливих схем переносу певного гена в клітину бактерії показана на малюнку 82. Із клітин, що містять у своєму геноме певний ген, виділяють молекулу ирнк, на якій, як на матриці, синтезують комплементарний ланцюг ДНК. Виникає Днк-рнк-комплекс, з якого ирнк видаляють, а на ланцюзі, що залишився, ДНК, за принципом комплементарно-

сти, синтезують другу. Створену в такий спосіб молекулу ДНК вбудовують у кільцеву молекулу ДНК плазмиды, що служить переносником.

Іншим способом є дроблення молекули ДНК, що підлягає переносу, на фрагменти. Утворені фрагменти молекули ДНК з'єднують із молекулою ДНК переносника, що перед цим переводять у лінійну форму. Крім того, переносять із клітини в клітину эукариот метафазные хромосоми. Такі хромосоми звичайно розпадаються на фрагменти, одні йз яких втрачаються, а інші - вбудовуються в хромосому клітини-хазяїна й функціонують там.

Об'єктами досліджень генетичної інженерії переважно є прокаріоти, однак учені працюють і з генами эукариот. Наприклад, у геном бактерій були уведені гени пацюка й людину, що кодують гормон інсулін, і бактерії стали синтезувати цей гормон, що так необхідний для лікування цукрового діабету. Методами генетичної інженерії отримані білки-інтерферони, що захищають організм людини й тварин від вірусних захворювань (вони придушують розмноження вірусів), гормон росту (дає можливість лікувати деякі форми карликовости) і ін. Щорічно зростає перелік медичних препаратів, отриманих за допомогою методів генетичної інженерії.

Перед генетичною інженерією, незважаючи на її молодість, відкриваються значні перспективи. Крім рішення перерахованих практичних питань, генетична інженерія в майбутньому буде здатна вирішувати й більше глобальні завдання. Серед них: видалення дефектних аллелей на ранніх етапах онтогенезу й заміна їх нормальними; з'єднання в одному геноме генів різних організмів. Наприклад, рішення завдання переносу із клітин азот-фіксуючих бактерій генів, відповідальних за засвоєння атмосферного азоту, у клітини вищих рослин, дозволило б значно скоротити засобу на виробництво й внесення азотних добрив.

Результати досліджень генетичної інженерії мають виняткове значення й для теоретичної біології. Завдяки їм зроблені найважливіші відкриття щодо тонкої будови генів, їхнього функціонування, структури геномов різних організмів. Для подальшого розвитку генетичної інженерії необхідне створення банків генів - колекцій генів різноманітних організмів.

Необхідно відзначити, що робота з геномами вищих організмів, крім технічних труднощів, зв'язана й з етичними проблемами. Втручання в генотип хребетних тварин і особливо людини, навіть із самими благими намірами, може привести до непередбачених наслідків.

Клітинна (тихорєцька) інженерія - область біотехнології, що використає методи, за допомогою яких з організму виділяють клітини й переносять їх на живильні, середовища де ці клітини продовжують жити й розмножуватися. Крім того, клітинна інженерія займається з'єднанням соматичних клітин організмів різних видів, пологів, сімейств, здійснюючи тим самим гібридизацію, що неможливо зробити іншим способом.

Например, можна з'єднувати клітини організмів, далеких у систематичному відношенні (людини й миші, людини й моркви, курки й дріжджів і т.д.). Гібридизація нестатевих клітин надає можливість створювати препарати, що підвищують стійкість організмів до різноманітних інфекційних захворювань, а також лікуючі ракові захворювання.

Наприклад, шляхом гібридизації клітин, здатних виробляти певні антитіла, з раковими, отримані гібридні клітини. З найбільш продуктивних цих клітин вирощували клони, що виробляють ці антитіла.

Завдяки вирощуванню нестатевих клітин організму на живильному створювати середовищі культуру клітин (тканин) для одержання коштовних речовин, що значно удешевляет собівартість лікарських препаратів (напр., препарати Лікарської рослини - женьшеню). Оскільки соматичні клітини містять всю інформацію про організм, то існує можливість одержання з них багатьох нащадків з однаковими спадкоємними властивостями.

Перспективним напрямком клітинної інженерії є клонування організмів. Клон (від греч. клон - гілка, нащадок) - сукупність клітин або особин, отриманих від загального предка нестатевим шляхом. Таким чином, клон складається з однорідних у генетичному відношенні клітин або організмів.

При клонуванні з незаплідненої яйцеклітини видаляють ядро й пересаджують у неї ядро нестатевої клітини іншої особини (мал. 83). Таку штучну зиготу пересаджують у матку самки, де зародок розвивається. Ця методика дозволяє одержувати від коштовних по своїх якостях виробників необмежена кількість нащадків, що є їх точною генетичною копією. Методом клонування вирощують і організми рослин (мал. 84).

ВИСНОВКИ

Використання живих організмів і біологічних процесів для промислового одержання необхідних людині речовин і препаратів належить до особливої галузі, називаною біотехнологією. Останнім часом у біотехнології всі частіше використають результати досліджень генетичної й клітинної (тихорєцької) інженерії. Генетична інженерія розробляє методи перебудови генотипів організмів,

тоді як клітинна - методи виділення клітин з організмів, вирощування їх на живильних, середовищах зміни будови шляхом видалення або впровадження певних орга-нелл, гібридизації нестатевих клітин і ін. методи.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ:

1. Що таке біотехнологія? Яке її значення? 2. Що таке генетична інженерія? Які методики вона використає у своїх дослідженнях? 3. Що таке клітинна (тихорєцька) інженерія? 4. Що таке клонування клітин або організмів?

Подумайте! Яке значення мають генетична й клітинна інженерія для розвитку теоретичної біології?

Вивчаючи цей розділ, ви довідаєтеся:

- про основні закономірності дії екологічних факторів на живі організми;

- про основні середовища перебування живих організмів;

- про адаптивні біологічні ритми організмів;

- про структуру й закономірності функціонування популяцій і біогеоценозів;

- про особливості структури й функціонування штучних співтовариств організмів - агроценозов.

Дата добавления: 2014-12-07