Генная инженерия, её основные методы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Генная инженерия, её основные методы

Дж. Абдреимов

Введение

Одним из разделов молекулярной генетики и молекулярной биологии, который нашел наибольшее практическое приложение, является генная инженерия. Родившись в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в «фабрики» для масштабного производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средств.

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.

Главная цель реферата - рассмотрение темы: «Генная инженерия, её основные методы».

Основные задачи реферата:

1) дать определение генной инженерии;

2) рассмотреть методы генной инженерии;

3) выявить основные механизмы генной инженерии

4) выяснить достижения генной инженерии;

5) рассмотреть преимущества и недостатки генной инженерии;

6) рассмотреть интересные факты по генной инженерии.

1. Генная инженерия

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.

Работы по изменению существующих органических форм стали возможны только после того, как в 1953 году была расшифрована молекула ДНК. Человек наконец понял сущность гена, его значение для белков, прочитал код геномов живых организмов и естественно не стал останавливаться на достигнутом. В душах людей возникло сильное желание «творить» животный и растительный мир планеты по своему усмотрению.

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.

2. 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 invitro 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.

3. 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.

Любые преграды можно обойти. Для начала маленькие - к примеру, введение чужеродных генов в бактерии. Здесь, в качестве вектора, вполне можно использовать плазмиду - кольцевую молекула ДНК малых размеров, располагающуюся в клетках вне хромосом и несущую дополнительные половые признаки. Бактерии постоянно обмениваются плазмидами, поэтому не составляет никакого труда перепрограммировать указанную молекулу и направить в клетку.

Значительно более трудно ввести готовый ген в наследственный аппарат клеток растений и животных. Здесь на помощь приходят вирусы - генетические элементы, одетые в белковую оболочку и способные переходить из одной клетки в другую. Для такой работы прекрасно подходят молекулы ДНК вирусов - фаги. Их «переделывают» под нужные параметры и включают в генетический аппарат животного или растительного организма.

Всё, дело сделано. Внедрённый генетический код начинает работать. Иногда бывают сбои, если часть генов новой ДНК окажутся «молчащими». Таких много в каждом организме. У одних живых существ они прекрасно функционируют, у других же не проявляют себя никак.

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 упрокариот - 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. Конъюгация имеет 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.

4. 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.

5. Преимущества и недостатки генной инженерии

Преимущества генной инженерии:

А) С помощью генной инженерии можно увеличить в генетически измененной продукции содержание полезных веществ и витаминов по сравнению с «чистыми» сортами. Например, можно «вставить» витамин А в рис, с тем чтобы выращивать его в регионах, где люди испытывают его нехватку.

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 Bacillusthuringiensis, 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 застарение 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 причин по 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.

6. 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.

Заключение

гибридологический генный инженерия молекулярный

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 гепатита 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.

Вывод:

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.

Литература

1. Бекиш О. - Я.Л. Медицинская биология. - Мн.: Ураджай, 2000. - с.114-119.

2. Горелов. Концепции современного естествознания. - Москва, 2007

3. Жигалов Ю.И. Концепции современного естествознания - М.: Гелиос АРВ, 2002.

4. Заяц Р.С. Основы медицинской генетики. - Мн.: Высшая школа, 1998. - с. 60-65.

5. Мутовин Г.Р. Основы клинической генетики. - М.: Высшая школа, 1997. - с. 83-84.

6. Биология и медицина [Электронный ресурс] //Методы генной инженерии, [сайт]. URL: http://medbiol.ru›medbiol/biology_sk/00032f3b.htm (дата обращения: 14.10.2014).

7. Генная инженерия [Электронный ресурс] //Интересные факты, [сайт]. URL: http://biochemi.ru›chems-466-1.html (дата обращения: 14.10.2014).

8. Генная инженерия [Электронный ресурс] //Основные механизмы генной инженерии Технология рекомбинантной ДНК, [сайт]. URL: http://galaxy797.net›htech/nano/6/12.htm (дата обращения: 15.10.2014).

Размещено на Allbest.ru