Генетична інженерія і її напрямки.

Лекція № 24.

Тема:Основні напрямки біотехнології.

План

1. Генетична інженерія і її напрямки.

2. Клітинна інженерія.

3. Досягнення селекції в Україні.

Усі сучасні сорти фруктів, овочів, злаків, ягід мають змінені геноми, тобто не ті геноми, які мають їх дикі предки, якщо вони вже вимерли. (Пригадайте: на Землі вже немає диких коней — тарпанів і предків наших корів і биків — турів.) Ви, напевно, пам'ятаєте, що всі сучасні сорти рослин, що їх люди використовують в їжу, — поліплоїди. Уже кілька століть тому люди почали застосовувати в господарстві міжвидові гібриди тварин, наприклад мулів.

До середини XX ст. селекціонерам доводи­лося чекати, коли випадкові комбінації генів дадуть корисні властивості, потім відбирати такі організми і закріплювати потрібні комбінації генів у потомстві. В першій половині XX ст. з'явилися методи, завдяки яким стало можливо штучно одержувати велику кількість випадкових мутацій (наприклад, за допомогою опромінення радіацією або дії хіміч­них мутагенів), щоб потім відбирати з мутантів організми з най­більш цінними властивостями. Сучасні генетичні технології пішли ще далі. Вони дають змогу одержати бажаний резуль­тат набагато швидше й при цьому уникнути безлічі проміжних і побічних форм, оскільки сучасна наука й технологія здатні змінювати геном цілеспрямовано. Це вдається завдяки генно-інженерним технологіям, за допомогою яких можна взяти певні структурні гени з геному одного виду і ввести їх у генетичний апарат іншого виду, викликавши таким чином у цьому організмі синтез потрібного людині білка.

Біотехнологія – сукупність промислових методів, у яких використовують живі організми або біологічні процеси. Людина з давніх-давен застосовує біотехнологічні процеси для виробництва різних речовин і харчових продуктів (сирів, молочних продуктів, тіста, пива тощо), але сам термін «біотехнологія» (від грец. біос - життя, технос - мистецтво і логос - учення) запровадили лише в 70-х роках XX століття.

У наш час різні види бактерій і грибів використовують у мікробіологічній промисловості для виробництва антибіотиків, вітамінів, гормонів, ферментів, кормових білків тощо. У харчовій промисловості високопродуктивні штами мікроорганізмів дають змогу збільшити випуск високоякісних продуктів харчування (кисломолочних, сирів, пива), кормів для тварин (силос, кормові дріжджі) тощо.

Біотехнологічні процеси застосовують і для очищення навколишнього середовища, зокрема стічних вод і ґрунту від побутового і промислового забруднення. Методи біологічного очищення ґрунтуються на здатності певних видів бактерій розкладати органічні сполуки, які потрапляють у довкілля. Завдяки селекційній роботі створено штами мікроорганізмів, здатних розкладати ті сполуки, які природні види не можуть мінералізувати. Для очищення стічних вод, природних водойм і ґрунту застосовують властивості деяких організмів накопичувати органічні та неорганічні сполуки або певні хімічні елементи у своїх клітинах (деякі види бактерій, водоростей, найпростіших).

Біотехнологічні процеси враховують і під час розроблення біологічних методів боротьби зі шкідниками сільського і лісового господарств, а також паразитичними і кровосисними видами. Використовуючи штами певних видів мікроорганізмів (бактерій, грибів), виготовляють препарати, які ефективно знижують чисельність шкідливих видів, не забруднюючи при цьому довкілля токсичними сполуками. Необхідною умовою використання біологічних препаратів у біологічному методі боротьби є їхня безпечність для корисних видів організмів.

Біотехнологія — дисципліна, що вивчає можливості вико­ристання живих організмів для розв'язання технологічних завдань. Вона використовує знання генетики, молекулярної біології, біохімії, ембріології, клітинної біології, а також прикладних дисциплін — хімічної, фізичної та інформаційної технологій, робототехніки.

Термін біотехнологія у 1917 р. запропонував угорський інженер К. Ерекі, коли описував процес виробництва свинини.

Генна інженерія і генетично модифіковані організми.Одним з найбільш перспективних напрямів біотехнології вва­жаютьгенну інженерію— маніпуляції з генетичним апара­том і певними генами, що дають змогу за допомогою молекулярно-біологічних методів штучно конструювати нові генотипові комбінації або навіть утворювати нові геноми.

Найбільш молодий напрям сучасної біотехнології — одержан­ня трансгенних організмів, тобто організмів, які містять трансгени (від лат. транс — через і грец. генос) — гени бактерій, грибів, рослин або тварин, чужорідні для цього виду організмів. Живі організми, змінені завдяки генно-інженерним маніпуляціям, дістали назву генетично модифікованих організмів (ГМО). Цінність генної інженерії в тому, що ці методи допомагають здійснити давню мрію селекціонерів: додати організму такі ознаки, які не можна перенести шляхом схрещування з близькоспорідненими видами.

Генна інженерія народилася в 1972 р. у Стенфордському університеті в США, коли Пол Берг уперше об'єднав у пробір­ці фрагменти ДНК фага лямбда, кишкової палички і мавпячого вірусу. Отриману рекомбінантну ДНК було введено у бактерію, що стала першим трансгенним організмом.

За допомогою методів генної інженерії стало можливо створювати організми з новими, раніше не властивими їм якостями. Наприклад, відомо, що мільйони хворих на цукровий діабет потребують щоденних ін'єкцій інсуліну. (Пам'ятаєте: інсу­лін — відповідальний за обмін цукру в організмі гормон білкової природи, який продукує підшлункова залоза.) До того, як у процес виробництва інсуліну втрутилася генна інженерія, гормон одер­жували з підшлункових залоз свиней, великої рогатої худоби і китів. Сви­нячий інсулін відрізняється від людського однією амінокислотою, інсулін великої рогатої худоби — трьома амінокислотами, а інсулін китів — ще більшою кількістю амінокислотних заміщень. Тому зрозуміло, що найкра­щий інсулін для людини — людський. Але як його одержати?

У результаті генно-інженерних технологій був добутий людський інсулін, який продукують ... бактерії групи кишкової палички! Для цього створили трансгенний організм, вбудувавши до геному бактерії ген людського інсу­ліну. В результаті невибагливі й дешеві в утриманні бактерії, що надзви­чайно швидко розмножуються, синтезують інсулін абсолютно такого ж хімічного складу, як природний людський інсулін, який для людини не є чужорідною речовиною.

Не варто думати, що одержання генетично модифікованих організмів — прерогатива нашого часу. Перші препарати людського інсуліну, отримані з генетично модифікованих бактерій надійшли у продаж у 70-ті роки XX ст. й відтоді (уже близько 40 років) активно використовуються в усьому світі.

Використовуючи трансгенні бактерії, дешево, швидко й у великій кіль­кості одержують інтерферон, імуноглобуліни, різні гормони, незамінні амінокислоти.

Генетично модифіковані рослини теж можуть виробляти лікарські речо­вини. Але цей напрям генної інженерії не такий перспективний. Більшість генних модифікацій рослин спрямована на розвиток стійкості до сільсько­господарських шкідників або вірусів, виживання в разі обробки полів гербіцидами, підвищення смакових і технічних якостей.

Уперше трансгенні рослини виростили у 1982 р. вчені Інституту рослинництва в Кель­ні й американської компанії «Монсанто». Відтоді тільки в цій компанії одержано понад 45 тис. ліній трансгенних рослин, у тому числі: яблуні, сливи, виноград, томати, капуста, баклажани, огірки, кукурудза, пшениця, соя, рис, жито, тютюн тощо.

Звичайно, поліпшення якості харчової продукції добиваються не тільки за допомогою генетичних модифікацій, а й іншими, традиційними способами. Наприклад, вирощують рослини, застосовуючи велику кількість хімічних добрив, рослинних гормо­нів, обробляють плоди спеціальними речовинами, які уможливлюють їх тривале зберігання. У продукти додають хімічні речовини: консерванти, ароматизато­ри, підсилювачі смаку. Генетичний склад вихідного організму при цьому не змінюється, і до генетично модифікованих організмів подібні методи поліпшення якості продукції не мають жодного стосунку.

Далекі від біології люди часто сприймають слово «модифіко­ваний» як неодмінну вказівку на те, що продукт одержаний мето­дом генної інженерії. Наприклад, так трактують термін «модифі­кований крохмаль». Нагадаємо: крохмаль — це хімічна речовина, вуглевод. Модифікація крохмалю — це хімічний процес поділу довгої молекули крохмалю на коротші відрізки. Одержана внаслі­док цього суміш полісахаридів має високу здатність утримувати вологу й застосовується як згущувач. Модифікований крохмаль не має ані найменшого відношення до генетично модифікованих організмів, оскільки не є організмом і не має генів.

Яким чином одержують генетично модифіковані організми. Виглядає ця процедура таким чином. Найчастіше у процесі створення генетично модифікованого організму і конструювання рекомбінантної ДНК використовують особливі ферменти — рестриктази (про це також йшлося вище), здатні роз­пізнавати чужорідну ДНК, що проникає в організм, і розщеплювати її у відповідних ділянках. Відомо понад 500 видів рестрик- таз, і кожна специфічно розщеплює ДНК — ріже її, як ножиці, у конкрет­ному місці, а потім вирізує необхідні фрагменти. Частини й розриви ниток ДНК склеюють за допомогою іншого ферменту — лігази (від лат. лігазе — з'єднати, склеїти).

Таким чином, використовуючи «ножиці»-рестриктази і «клей»-лігазу, з однієї ДНК вирізують, а в іншу ДНК вклеюють необхідні гени. Як правило, для перенесення генів використовують віруси, фаги або плазміди, оскільки вони завжди мали здатність атакувати клітини, проникати усередину і вбудовувати свою генетичну інформацію в клітинну ДНК. Віруси, фаги і плазміди, які використовують для перенесення генів, називають векторами перенесення генетичної інформації.

Що таке трансгенна картопля. Прикладом трансгенної рослини може бути сорт картоплі, у геном якої вмонтовано ген хітинази — ферменту, що розчиняє хітин. Цей ген було вилучено з ґрунтової бактерії. Трансгенна картопля починає синтезувати невластивий їй фермент хітиназу і накопи­чувати його в листі та стеблах. Паразитичні гриби і комахи-шкідники не можуть живитися зеленою масою такої картоплі, оскільки хітиназа ушко­джує їхні покриви. Тому трансгенна картопля не потребує обприскування отрутами. Слід відзначити, що для людського організму хітиназа не являє жодної небезпеки, адже в людини абсолютно відсутній хітин.

Чому застосування трансгенних організмів викликає певні застере­ження. Генетичні модифікації бактерій, рослин і тварин мають величезне значення для всіх сфер людського життя від сільського господарства до виробни­цтва біопалива й охорони здоров'я. Однак існують проблеми безпеки, які не варто залишати поза увагою, впроваджуючи нові сорти генетично модифікованих організмів. Наприклад, «пересадження» рослинам гена стійкості до гербіцидів може спровокувати те, що поле, засадже­не такими рослинами, почнуть обприску­вати більшими дозами цих гербіцидів, ніж потрібно за технологіями. Внаслідок цього частина отрути може потрапити у воду, на сусідні лани і навіть в їжу. Не припустимі генетичні модифікації, що допоможуть рослинам синтезувати небезпечні для людини токсини.

Крім того, в результаті генетичних модифікацій у рослинах починають син­тезуватися невластиві їм білки. Це може викликати алергії. Саме з такою небезпе­кою пов'язана необхідність маркування на вміст у їжі ГМО.

Усі трансгенні сорти рослин перед їх широким застосуванням проходять ретельну перевірку на безпечність для людини і навколишнього середовища. Саме це зумовлює надзвичайно високу вартість розробки й висновку про випуск на ринок нових трансгенних рослин-продуктів (від 50 до 200 млн доларів). Як не парадоксаль­но, але трансгенні рослини генетично набагато більш вивчені, ніж сорти, одержувані методами звичайної селекції.

Генна терапія.Донедавна діагноз «спадкове захворюван­ня» був вироком для хворого: генетичні хвороби не лікували, полегшуючи тільки симптоми захворювання. Прикладом тако­го лікування може бути терапія фенілкетонурії. Не усуваючи причини хвороби, тобто дефекту генів, коригують стан хворих за допомогою дієти.

Одним з новітніх напрямів сучасної медичної генетики є генна терапія (генотерапія) — сукупність методів генної інженерії і медицини, спрямованих на лікування патологій генетичного апарату.

Можна сказати, що генна терапія — це хірургія генів. Суть генної терапії поля­гає в тому, що у деякі клітини хворого вводять ті гени, які у нього уражені. Для того, щоб гени проникали у клітину й вбудовувалися вії ДНК, використовують спеціальні носії-віруси.

Сама ідея генної терапії виникла після від­криття вірусів, які викликають розвиток пухлин у людини. Ці віруси мають здатність вбудовуватися у генетичний апарат людини і залишатися там протягом життя клітини.

У генотерапії використовують віруси, які в результаті генно-інженерних операцій втратили здатність утворювати пухлини, але несуть у собі вбудовані гени — такі, як уражені мутаціями у хворого.

Одним з прикладів лікування спадко­вих хвороб методом генної терапії е ліку­вання найтяжчої спадкової патології — важкого комбінованого імунодефіциту (не плутати з ВІЛ!). Це вроджене захворю­вання викликають мутації генів, у резуль­таті чого у хворого практично повністю відсутній імунітет.

Перші спроби застосування генної тера­пії у лікуванні цього захворювання належать до 1990 року. В 1993 р. уперше успішно проведена генна терапія хворого на важкий комбінований імунодефіцит. Після лікування білі кров'яні клітини виконували свої функції протягом чотирьох років, тобто чотири роки пра­цював імунітет. Після цього знадобилося повторне лікування. У наші дні кожна третя дитина у світі, що страждає важким комбінованим імунодефі­цитом, лікується за допомогою генної терапії.

Сьогодні у світі апробовано й затверджено вже близько 200 генотерапевтичних протоколів лікування.