Научное познание в генетической инженерии и генетика XIX века

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «»

Реферативная работа по (философии)

Тема: «Научное познание в генетической инженерии и генетика XIX века»

Выполнил: аспирант кафедры

«Химия, агрохимия и агроэкология»

Факультет технологии животноводства

и агроэкологии

2017

Оглавление

Введение

1. История генетики, основные этапы ее развития

1.1 История возникновения генетики

1.2 Основные этапы развития генетики

2. Генетическая инженерия

2.1 Научные познания в генетической инженерии

2.2 Генетически модифицированные растения

2.3 Генетическая инженерия и философские проблемы

Список литературы

Введение

Для осознания окружающего мира, необходимо четко понимать природу и механизмы ее устройства и изменения. Генетика - основа современной биологии. Этот факт становится очевидным по мере дифференциации и специализации различных биологических наук. Универсальные законы наследственности и изменчивости справедливы для всех организмов. Методы генетики применимы к любым биологическим исследованиям.

1. История генетики, основные этапы ее развития

1.1 История возникновения генетики

Генетика - одна из самых молодых биологических наук. Ей чуть более 100 лет. Однако за этот, сравнительно короткий, период генетика не только превратилась в самостоятельную научную дисциплину, но послужила фундаментом для создания некоторых других важных наук, например, молекулярной биологии и генетической инженерии. Попытки понять природу передачи признаков по наследству от родителей детям предпринимались ещё в древности. Размышления на эту тему встречаются в сочинениях Гиппократа, Аристотеля и других мыслителей.

В XVII-XVIII веках учёные стали пытаться понять процесс оплодотворения и искать, с каким началом - мужским или с женским - связанна тайна развития нового организма. В 1694 году немецкий ботаник Рудольф Каммерариус (1665-1721) обнаружил, что для завязывания плодов необходимо опыление. Тем самым к концу XVII в. была подготовлена научная почва для начала опытов по гибридизации растений. В 1760 г. немецкий ботаник Йозеф Кёльрейтер в опытах при скрещивании растений табака и гвоздикой показал, что после переноса пыльцы одного растения на пестик отличающегося по своим морфологическим признакам растения образуются завязи и семена, дающие растения со свойствами, промежуточных по отношению к обоим родителям

В конце XVIII-начале XIX в. английский селекционер-растениевод Томас Эндрю Найт, проводя скрещивание различных сортов гороха, сделал важное наблюдение - он обнаружил неделимость мелких признаков при различных скрещиваниях. Т. Найту принадлежит заслуга открытия «элементарных наследственных признаков». А Огюстен Сажрэ (1763-1851) обнаружил феномен доминантности.

Идея о дифференцирующих делениях ядра клеток развивающегося зародыша была высказана в 1883 г. немецким эмбриологом Вильгельмом Ру (1850-1924). Выводы В. Ру послужили отправной точкой для создания теории зародышевой плазмы, получившей окончательное оформление в 1892 г., когда немецкий зоолог Август Вейсман четко указал на носителей наследственных факторов - хромосомы.

Крупнейшим достижением естествознания XIX века было создание эволюционной теории. В 1859 г. Ч. Дарвин в труде «Происхождение видов» утвердил принцип эволюционного развития организмов и показал, что факторами эволюции являются естественный отбор, наследственность и изменчивость. Теория Ч. Дарвина быстро завоевала широкое признание среди учёных. Учёные понимали, что эволюция возможна только на основе возникновения у живых существ изменений и сохранения этих изменений у потомков.

Другая умозрительная гипотеза о природе наследственности была предложена немецким ботаником Карлом Негели (1817-1891) в работе «Механико-физиологическая теория эволюции» (1884). К. Негели предположил, что наследственные задатки передаются лишь частью вещества клетки, названного им идиоплазмой. Остальная часть клетки (стереоплазма), согласно его представлению, наследственных признаков не несет.

Наиболее детализированной была третья гипотеза, предложенная немецким зоологом Августом Вейсманом. Развивая идею о неравном наследственном делении, А. Вейсман логично пришел к выводу о существовании в организме двух четко разграниченных клеточных линии - зародышевых и соматических. Клетки зародышевой линии, обеспечивают непрерывную передачу наследственной информации, «потенциально бессмертны» и способны давать начало новому организму. Соматические клетки такими свойствами не обладают. Август Вейсман считал, что в половых клетках имеется особое вещество - носитель наследственности («зародышевая плазма») и отождествлял это вещество с хромосомами клеточного ядра. Предположение А. Вейсмана о ведущей роли хромосом в передаче наследственных свойств было правильным. Верными были и еще два элемента его гипотезы: 1) утверждение о большом значении скрещиваний, как причины изменчивости, дающей материал для эволюции, и 2) отрицание наследования приобретенных признаков, т. е. телесных изменений, вызываемых внешними воздействиями в течение жизни организма.

Во второй половине XIX века, Р.Вирхов выдвинул основополагающую концепцию, по которой любая клетка происходит только от клетки. Это утвердило идею о непрерывности жизни, показав, что в её основе лежит деление клеток. В 1874 г. И.Д. Чистяков, а годом позже Е. Страсбургер установили, что деление клетки связано со сложными процессами сохранения числа хромосом в дочерних клетках.

Изучая поведение хромосом в клетках, образующих гаметы, Э. Ван-Бенеден и Т. Бовери обнаружили явление мейоза. Они установили, что при мейозе происходит процесс редукции (уменьшения) числа хромосом вдвое. После слияния половых клеток с уменьшенным вдвое числом хромосом число их в ядре зиготы восстанавливается до нормального уровня. В 1896 г. вышла книга Э. Вильсона «Роль клетки в наследственности и развитии». Она явилась синтезом достижений XIX века в области клеточной теории. Её главным содержанием были доказательства того факта, что хромосомы являются физическими носителями наследственности.

Индивидуальные различия даже между близкородственными организмами не обязательно связаны с различием в генетической структуре этих особей. Такие различия могут быть вызваны разными условиями жизни сравниваемых особей. Поэтому делать заключения о генетических различиях можно только на основании анализа большого числа особей. Первым, кто привлек внимание к математическим закономерностям в индивидуальной изменчивости, был бельгийский математик и антрополог А. Кэтлэ. Он явился одним из основателей статистики и теории вероятностей.

В 1903-1909 гг. датский биолог Вильгельм Иогансен (1857-1927), обратил главное внимание на изучение генетически однородного материала. Исходя из полученных результатов, Иогансен дал точное определение понятиям «генотип» и «фенотип» и заложил основы современного понимания роли индивидуальной изменчивости.

Никто из ученых того времени не сумел открыть законов наследования. Однако сам подход к проблеме наследования путем изучения потомства от скрещивания особей с разными признаками и анализ распределения этих признаков среди потомков был совершенно правильным. Именно он подготовил почву для появления генетики как науки.

Честь открытия количественных закономерностей, принадлежит чешскому ботанику Иоганну Грегору Менделю. В работах, выполненных им в 1856-1863 г., он раскрыл основы законов наследственности. Эти закономерности впоследствии легли в основу генетики. Г. Мендель ввел понятие доминантного и рецессивного признаков. Доминантными он назвал признаки, которые переходят в гибридные растения совершенно неизменными или почти неизменными. Рецессивными он обозначил такие признаки, которые становятся при гибридизации скрытыми. В результате его работ получили прочное научное обоснование следующие обобщения: 1. Явление неравнозначности наследственных признаков. 2. Явление расщепления признаков гибридных организмов в результате их последующих скрещиваний. Были установлены количественные закономерности расщепления. 3. Обнаружение не только количественных закономерностей расщепления по внешним, морфологическим признакам, но и определение соотношения доминантных и рецессивных задатков среди форм, с виду не отличных от доминантных, но являющимися смешанными по своей природе.

Таким образом, Г. Мендель вплотную подошел к проблеме связи между наследственными задатками и определяемыми ими признаками. За счет перекомбинации задатков (впоследствии эти задатки В. Иогансен назвал генами), при скрещивании образуются зиготы, несущие новое сочетание задатков, чем и обусловливаются различия между индивидуумами. Это положение легло в основу фундаментального закона - закона чистоты гамет.

Датой рождения генетики принято считать 1900 г., когда, независимо друг от друга, три ботаника повторили открытие Г. Менделя. Ими были Гуго Де Фриз (в Голландии), проводивший опыты с маком и другими растениями, Карл Эрих Корренс (в Германии) изучавший расщепление признаков у кукурузы и Эрих фон Чермак (в Австрии) анализировавший наследование признаков у гороха.

1.2 Основные этапы развития генетики

С 1900 года генетика прошла ряд этапов развития. Каждый из них характеризовался преобладающими в то время направлениями исследований. Все этапы развития науки тесно взаимосвязаны, так как переход от одного этапа к последующему становился возможным благодаря открытиям, сделанным на предыдущем этапе. Историю генетики разделяют на пять основных этапов.

Первый этап развития генетики (1900-1910).

После повторного открытия законов Менделя началась эпоха классической генетики. Первый период характеризуется интенсивным развития менделизма, подтверждением открытых Г. Менделем законов наследственности всё новыми гибридологическими опытами, проведенными в разных странах на различных растениях и животных. В результате этих экспериментов стало ясно, что законы, установленные Г.Менделем, имеют универсальный характер. За эти годы генетика сформировалась как самостоятельная биологическая наука и получила широкое признание. Название «генетика» (от латинского слова geneo - порождаю) предложил для этой молодой науки в 1905 г. английский ученый Уильям Бэтсон (рис.). Чуть позже сложились и такие важные генетические понятия, как ген, генотип, фенотип. Эти термины были предложены в 1909 г. датским генетиком Вильгельмом Людвигом Иогансеном (рис.). В эти же годы зародились и некоторые новые важные направления генетических исследований такие как, синтез накопленных сведений о хромосомах клеточного ядра, митозе и мейозе с одной стороны и данными генетики, с другой. Уже в 1902 г. два ученых - Т. Бовери в Германии и В. Сеттон в США - одновременно обратили внимание на параллелизм в поведении хромосом при мейозе и оплодотворении с наследованием признаков по законам Менделя, что послужило предпосылкой создания хромосомной теории наследственности.

Уже на первом этапе развития генетики, прежде всего благодаря работам В. Бэтсона с курами, кроликами и мышами, стало ясно, что генотип - это не набор независимых в своем действии отдельных генов. Было показано, что гены в своем действии взаимно обусловлены и что развитие любого признака связано с действием целого ряда генов. Вместе с тем, особенности развития зависят и от условий среды. Признаки организма, его фенотип являются результатом взаимодействия наследственности и среды.

Успешному развитию генетики способствовало обоснование мутационной теории. В 1899 г. русский ботаник, профессор Томского университета С. И. Коржинский опубликовал монографию «Гетерогенезис и эволюция». В ней он привёл ряд примеров наследственной изменчивости признаков у растений и высказал мысль, что причиной появления новых наследственных свойств могут быть только единичные изменения внутренних основ наследственности. Для обозначения случаев появления наследственных уклонений Г. де Фриз ввел термин «мутация».

В 1909 г. К. Корренс опубликовал работу о наследовании ряда признаков через пластиды. Это исследование стало источником изучения внеядерной, или цитоплазматической, наследственности. Поскольку законы передачи пластид и других цитоплазматических элементов, несущих молекулы ДНК, отличаются от менделевских законов передачи хромосом, они получили название неменделевской наследственности.

В 1908 г. Г. Харди и В. Вайнберг показали, что менделевские законы объясняют процессы распределения генов в популяциях.

Второй этап развития генетики (1910-1920)

Главной отличительной чертой второго этапа развития генетики было создание и утверждение хромосомной теории наследственности. Ведущая роль в создании этой теории принадлежит экспериментальным работам американского генетика Томаса Гента Моргана (рис.) и трех его учеников - Альфреда Стертеванта (1871-1970), Калвина Бриджеса (1889-1938) и Германа Мёллера (1890-1967). В этих экспериментах, проведенных на дрозофиле, было показано, что наследственные задатки - гены - лежат в хромосомах клеточного ядра и что передача наследственных признаков определяется судьбой хромосом при созревании половых клеток и оплодотворении.

Генетические работы школы Т. Моргана помогли значительно глубже понять структуру хромосом, чем это позволяли только цитологические исследования. Сотрудники Т.Моргана научились строить хромосомные карты с указанием точного расположения на них разных генов. Хромосомная теория наследственности была крупнейшим достижением биологии. Все дальнейшее развитие генетики проходило в свете этой теории. Кроме того, хромосомная теория оказала сильное влияние на цитологию, эмбриологию, биохимию, эволюционное учение. Позже она послужила одной из предпосылок зарождения и становления современной молекулярной биологии. В этот период начинаются исследования генетики количественных признаков.

На втором этапе формирования генетики стали быстро развиваться некоторые генетические направления, важные для сельского хозяйства. Среди них работы по выяснению природы гетерозиса, по сравнительной генетике культурных растений, по межвидовой гибридизации плодовых растений. Активно велись исследования частной генетики разных видов культурных растений и домашних животных. Результаты этих исследований имели большое значение для разработки генетических основ селекции, семеноводства и племенного дела.

Автором первых учебников по генетике в нашей стране был Юрий Александрович Филипченко (1882-1930 гг.), первый профессор, читавший в 1914 г. курс генетики студентам Петербургского университета. Кольцов в Москве, Филипченко и Вавилов в Санкт-Петербурге привлекли к сотрудничеству ряд выдающихся биологов. В короткий срок была налажена плодотворная научная работа по многим проблемам генетики, пропаганда генетических знаний, преподавание генетики в университетах, издание оригинальных и переводных пособий по генетике. Вскоре генетические лаборатории были созданы и в других городах России. Достижения российских генетиков стали во все возрастающей степени использовать в практической работе растениеводов и животноводов.

Третий этап развития генетики (1920-1940)

Третий этап истории генетики (1920-1940 гг.) ознаменован открытием возможности искусственно вызывать мутации. О существовании внезапных наследственных изменений - мутаций знал еще Ч. Дарвин. Мутации интенсивно изучал на заре генетики Г. Де Фриз. Вслед за ним генетики уделяли изучению возникших мутаций большое внимание.

Первые данные о том, что мутации можно вызвать искусственно, были получены в 1925 г. в России Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым в опытах по облучению дрожжей радием. Решающие доказательства возможности экспериментального индуцирования мутаций получил в 1927 году Г. Мёллер в опытах по воздействию на дрозофилу рентгеновских лучей. Работа Г. Мёллера вызвала большое число экспериментальных исследований, проведённых на разных видах растений и животных. Исследования в области экспериментального мутагенеза привели к быстрому прогрессу в познании закономерностей мутационного процесса. Они же способствовали выяснению ряда вопросов, касающихся тонкого строения гена. Из российских исследователей следует отметить А.С. Серебровского получившего данные, доказывающие сложное строение гена. Обнаружение мутагенного эффекта радиации и химических веществ открыло новые перспективы практического использования достижений генетики. В разных странах начались работы по применению радиации для создания новых форм культурных растений и животных. В России инициаторами такой «радиационной селекции» были генетики А.А. Сапегин и Л.Н. Делоне.

На этом же, третьем этапе истории генетики возникло направление, ставящее целью изучение генетических процессов в эволюции. Основополагающие работы в этой области были выполнены английскими генетиками Р. Фишером и Дж. Холдэйном, американским генетиком С. Райтом и российским генетиком С.С. Четвериковым (рис.). Эти ученые, опираясь на большой фактический материал, убедительно показали, что генетические данные подтверждают и подкрепляют основные принципы дарвинизма. В формировании эволюционной генетики большую роль сыграли работы С. С. Четверикова и его сотрудников, осуществивших на нескольких видах дрозофил первые экспериментальные исследования генетического строения природных популяций. Очень успешно и в широком масштабе продолжалось и возглавляемое Н. И. Вавиловым изучение сравнительной генетики и эволюции возделываемых растений.

Следует особенно отметить работу сотрудника Вавилова, талантливого генетика Сергея Дмитриевича Карпеченко (1899-1942 гг.) (рис.), который экспериментально воспроизвел один из способов образования новых видов у растений. С.Д. Карпеченко добился больших успехов в создании отдаленных гибридов и в 1935 г. опубликовал монографию «Теория отдаленной гибридизации».

В 1933 г. Т. Пайнтер установил генетическое значение гигантских хромосом из клеток слюнных желез дрозофилы. В 1934 г. М. Шлезингер показал, что фаг состоит из ДНК и белков. В 1939 г. работа Е. Эллиса и М. Дельбрюка начала современную эпоху исследований по генетике фагов. Они установили, что фаг проникает в бактерию, размножается в ней и затем лизирует ее.

Период с двадцатых годов по сороковые годы прошлого столетия были временем стремительного развития генетики в России. Эти успехи связаны с деятельностью крупнейших российских ученых и их школ: Н.И. Вавилова, Н.К. Кольцова, С.С. Четверикова, А.С. Серебровского, Ю.А. Филипченко, С.Г. Навашина, И. В. Мичурина и др.

В начале двадцатых годов Н.И. Вавилов обосновал закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. В то время широко была принята идея об абсолютной случайности мутаций. Н. И. Вавилов, обнаружив сходные мутации у разных видов, установил, что возникновение мутаций зависит от генетических свойств организмов. Он показал, что при селекции нужные признаки следует искать целенаправленно. Н.И. Вавилов открыл мировые центры происхождения растений, в которых находятся ценнейшие для селекции наборы генов. Созданная под руководством Н.И. Вавилова мировая коллекция культурных растений и их диких предков стала источником для выведения многих сотен новых сортов самых различных культур. Вокруг Н.И. Вавилова сплотились выдающиеся генетики и цитологи. Талантливый ученик Н.И. Вавилова Г.Д. Карпеченко путем удвоения хромосом впервые преодолел стерильность гибридов, полученных при скрещивании далеких видов растений. В 1927 г. он создал плодовитый межродовой гибрид, скрестив редьку и капусту. Метод удвоения хромосом у гибридов стал классическим для селекции и при экспериментальном воспроизведении процессов происхождения ряда видов.

Четвертый этап развития генетики (1940-1953)

Наиболее характерными чертами этого этапа истории генетики было развитие работ по генетике физиологических и биохимических признаков и вовлечение в круг генетических экспериментов совершенно новых для генетики объектов - микроорганизмов и вирусов. Изучение биохимических процессов, лежащих в основе формирования наследственных признаков разных организмов (дрозофилы, плесени нейроспоры, бактерии кишечной палочки и др.) позволило установить, как действуют гены.

В 1941 г. американские генетики Дж.Бидл (рис.) и Э. Тейтем (рис.) опубликовали короткую статью «Генетический контроль биохимических реакций у Neurospora», в которой сообщили о первых генетических экспериментах на микроорганизмах. В статье были описаны биохимические мутации у нейроспоры. Результаты исследований привели Дж. Бидла и Э. Тейтема к важному обобщению, согласно которому всякий ген определяет синтез в организме одного фермента. Эта формула: «один ген - один фермент» была впоследствии уточнена и стала звучать: «один ген - один белок» или, ещё точнее, «один ген - один полипептид». Биохимические мутации стали важнейшим инструментом для анализа действия генов на отдельные звенья биохимических синтезов.

Очень большое значение для развития генетики имело выяснение в 1944 г. американским генетиком О. Эвери с сотрудниками природы генетической трансформации у бактерий. Эта работа показала, что носителем наследственных потенций организма служит дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) хромосом. Этот вывод был мощным толчком к изучению тонкого химического строения, путей биосинтеза и биологических функций нуклеиновых кислот. Поэтому работы О. Эвери и сотрудников явилась отправной точкой развития молекулярной генетики и всей молекулярной биологии. К числу наиболее важных результатов, достигнутых в этом направлении к концу рассматриваемого (четвёртого) периода следует отнести установление того, что инфекционным элементом вирусов служит их нуклеиновая кислота, открытие в 1952 г. американскими генетиками Дж. Ледербергом и М. Зиндером явления трансдукции (переноса бактериофагами генов бактерий), и особенно выяснение в 1953 г. структуры ДНК английским физиком Ф. Криком (рис.) и американским биологом Джеймсом Уотсоном.

Получили дальнейшее развитие работы по генетике природных популяций. Особенно интенсивно они проводились в США Ф. Добржанским с сотрудниками и в России Н. П. Дубининым с сотрудниками. В эти же годы появились первые высокопродуктивные сорта культурных растений, созданные на основе мутаций, искусственно вызванных радиацией, начались попытки применять для этого химические мутагены, были широко внедрены в сельскохозяйственную практику генетические методы использования гетерозиса.

В России в начале рассматриваемого периода генетические исследования развивались успешно и продолжали занимать одно из ведущих мест в мире. Однако в России (СССР) ещё в середине 30-х годов стали пропагандироваться, а с середины 40-х годов получили широкое распространение взгляды Т.Д. Лысенко, полностью отрицавшего законы Менделя, хромосомную теорию наследственности, учение о мутациях, а также ряд основных положений дарвинизма. Академик Т. Д. Лысенко в докладе «О положении в биологической науке» показал теоретическую никчемность и практическую бесплодность менделизма-морганизма. Теоретическая основа современного вейсманизма - так называемая хромосомная теория наследственности - чисто спекулятивное схоластическое построение. Утверждение менделистов о существовании бессмертного вещества наследственности является мифом, особенно убедительно разоблачённым в экспериментах мичуринцев по вегетативной гибридизации растений

С.В. Кафтанов, министр высшего образования, издавший в 1948 г. приказ, уничтоживший генетику в советских ВУЗах. После августовской сессии ВАСХНИЛ были закрыты все генетические лаборатории. Многие выдающиеся исследователи оказались в лагерях. ГУЛАГа В тюрьме ГУЛАГа погиб в 1943 году и наш крупнейший ученый, генетик с мировым именем Николай Иванович Вавилов.

Временная популярность воззрений Т.Д. Лысенко и его сторонников в партийно-правительственном аппарате СССР объяснялась в значительной мере обещаниями, что даваемые ими рекомендации быстро приведут к резкому повышению урожайности сельскохозяйственных растений и продуктивности домашних животных. Практика показала полную несостоятельность этих рекомендаций. В итоге к концу 50-х годов ошибочность антигенетических концепций Лысенко стала очевидной даже для тех руководителей государства, кто его поддерживал. Но пока это произошло, генетические исследования в нашей стране оказались остановленными, прекратилась подготовка генетических кадров, не издавалась литература по генетике. В результате монополизма Т.Д.Лысенко и его сторонников были разгромлены научные школы в генетике, ошельмованы честные ученые, деградировало биологическое и сельскохозяйственное образование, затормозилось развитие биологии и сельского хозяйства

Возрождение генетики в России (СССР) началось только в начале 60-х годов, когда биология начала освобождаться от "идеологически выдержанных" воззрений сторонников Т.Д. Лысенко. Процесс этого освобождения проходил очень трудно.

Пятый, современный этап развития генетики (с 1953)

Пятый этап развития генетики продолжается с 1953 г. по настоящее время. Начало современному периоду развития генетики положило открытие в 1953 г. структуры молекулы ДНК английским физиком Френсисом Криком и американским биологом Джеймсом Уотсоном . Эта работа Ф. Крика и Дж. Уотсона сыграла выдающуюся роль во всем последующем развитии молекулярной генетики и молекулярной биологии.

Для современного этапа истории генетики наиболее характерно исследование генетических явлений на молекулярном уровне. Этот путь диктовался всем предыдущим развитием генетики. Она все глубже проникала в природу генетических процессов. Переход к работе на молекулярном уровне стал возможным благодаря внедрению в генетику новых химических, физических и математических подходов и методов.

В этот новейший этап развития генетики были сделаны выдающиеся открытия, которые сыграли большую роль в прогрессе генетики и всей биологии. Было установлено, что гены представляют участки гигантских полимерных молекул нуклеиновых кислот и различаются числом и порядком входящих в их состав нуклеотидов. Работы американского биохимика Эрвина Чаргаффа (рис.) показали, что строение ДНК основано на парности оснований (А=Т; Ц=Г). Английский биофизик Морис Уилкинс (Лауреат Нобелевской премии 1962 г.) с помощью рентгеноструктурного анализа установил двунитевое строение молекул ДНК. Весь этот комплекс биологических и физико-химических знаний привел в 1953 г. Дж. Уотсона и Ф. Крика к построению двуцепочечной спиральной структуры молекулы ДНК и ее генетической интерпретации. Эта работа явилась переломной для развития биологии XX века. Генами оказались относительно небольшие наборы нуклеотидов в длинных полинуклеотидных цепях, ауторепродукция оказалась свойством двойной спирали молекулы ДНК при превращении каждой из полинуклеотидных цепей в матрицу, на которой синтезируется идентичная (комплементарная) дочерняя молекула ДНК.

Совместными усилиями генетиков, физиков и биохимиков было выяснено, что наследственная информация закодирована в химической структуре генов. При наличии только четырех оснований, входящих во все гены, было очевидно, что их информация должна реализоваться только через генетический код. В конце 50-х - начале 60-х годов Ф. Жакоб, Ж. Moнo, А. Львов, Ф. Крик, С. Очоа, М. Ниренберг и другие исследователи разрешили проблему генетического кода и переноса генетической информации с молекул генов в цитоплазму, где идет синтез белков.

В 1969 г. в США Г. Хорана с сотрудниками синтезировали химическим путем (вне организма) первый простой по своей структуре ген. В начале 1970-х годов в нескольких американских лабораториях, а затем в лабораториях других стран, в том числе - в России (СССР), с помощью особых ферментов были синтезированы вне организма несколько более сложных генов позвоночных животных. На модельных объектах - на бактериях и культурах клеток млекопитающих удалось осуществить введение в клетку определенного гена и этим изменить в желаемую сторону ее наследственные свойства.

Многое удалось сделать для понимания молекулярных механизмов мутаций. Благодаря этому были обнаружены и изучены новые мощные химические мутагены («супермутагены»). Их эффективно использовали для получения мутантных форм микроорганизмов, растений и животных. В 70-е годы возникло учение о мутагенах в среде, окружающей человека, и сформулирована фундаментальная проблема о возможной их угрозе наследственности человечества в будущем.

Новая революция в генетике произошла в середине 70-х гг. Она была связана с новым синтезом знаний, полученных генетиками разных направлений: молекулярной и биохимической генетики, генетики бактериофагов, бактерий и плазмид, генетики дрожжей, млекопитающих и дрозофилы. Используя знания об организации наследственного аппарата различных модельных объектов, генетики разработали технологии манипуляций с генами, которые позже получили название генной инженерии.

В конце 70-х годов генетики разработали метод искусственного клонирования больших фрагментов ДНК. Это позволило размножать «в пробирке» нужные для исследований фрагменты ДНК. В середине 80-х годов был предложен ещё один метод клонирования ДНК - метод полимеразной цепной реакции (ПЦР). Он позволяет синтезировать необходимые фрагменты ДНК и затем многократно увеличивать число их копий. Этот метод даёт возможность из незначительных количеств ДНК (из одного ядра или даже из одного гена) нарабатывать количества, необходимые для биохимического анализа. Метод уже очень широко используется, и не только в молекулярной биологии, но и в истории, этнографии и криминалистике. Например, используя ничтожные количества ДНК, содержащиеся на саркофагах и покрывалах мумий или костях предков человека, оказалось возможным наработать объемы ДНК, после анализа, которых были сделаны интересные выводы о формировании, эволюции и миграциях предков современных людей. Используя метод ПЦР для анализа ДНК из клеток, собранных на уликах, и сравнивая её с ДНК жертв и преступников, раскрывают различные преступления. ПЦР-анализы ДНК были решающими при идентификации останков семьи последнего российского императора Николая II.

Используя методы секвенирования ДНК, в 90-х гг. большие группы ученых исследуют геномы уже более чем 50 видов. В 1992 г. консорциум ученых (146 человек из 35 европейских лабораторий) сообщил о секвенировании последовательностей нуклеотидов в 3-й хромосоме дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В 1995 г. были опубликованы сведения о расшифровке геномов первых бактерий - Haemophilus influenza и Mycoplasma genitalium. В 1997 г. были секвенированы геном бактерии Escherichia coli и уже полностью - геном дрожжей S. cerevisiae. В феврале 1999 г. был секвенирован геном нематоды Caenorhabditis elegans. В марте 2000 г. группа из 200 ученых сообщила о расшифровке генома дрозофилы. Весной 2000 г. английские ученые из Кембриджа заявили, что в основном секвенировали геном человека. В начале 2001 г. геном человека был расшифрован практически полностью большой группой ученых из фирмы “Celera” (США).

После того как было открыто явление переноса генетической информации (трансформации) у прокариот (в 1944 г.), постоянно предпринимались попытки осуществить такой перенос у эукариот. В 1980 г. первые трансгенные мыши были получены инъекцией клонированной ДНК в пронуклеус оплодотворенного яйца (Дж. Гордон и др.). В том же 1980 году была предложена методика эффективной трансформации культивируемых клеток млекопитающих микроинъекцией ДНК непосредственно в ядро.

Особую известность получили эксперименты по клонированию животных. Ещё в начале 40-х гг. Г.В. Лопашов осуществил первые пересадки ядер из некоторых клеток тритона в безъядерные фрагменты цитоплазмы яиц на стадии 1-2 бластомеров. Однако эта работа не была продолжена сначала из-за войны, а затем из-за полного запрета генетики в России. В 1962 г. английский ученый Дж. Гёрдон (J. Gurdon), решил выяснить, сохраняется ли в дифференцированных клетках тот же самый набор генов, который имеет зигота. Для этого он пересадил ядра из клетки кишечника головастика в яйцо лягушки, из которого было удалено собственное ядро. В результате из такой гибридной яйцеклетки развилась нормальная лягушка. Это свидетельствовало о том, что ядра соматических и половых клеток качественно идентичны. А раз так, то в результате каждой трансплантации ядра можно получать новое животное, а трансплантации многих ядер, получение из одного животного, дают много животных, т. е. их клоны. В 1997 г. группой ученых Шотландии во главе с А. Вилмутом с помощью методики ядерных трансплантаций была получена овца, всемирно известная Долли В 1999 г. ученые из США клонировали мышь и корову, а в марте 2000 г. на свет появились сразу пять клонированных поросят. По мнению авторов этой работы, человека можно будет клонировать к 2005 г., но первые клонированные дети появились уже в январе 2003 г.

Таким образом, всего за один век (если считать от момента переоткрытия законов Менделя в 1900 г.) генетика прошла путь от формирования представлений о дискретных элементах наследственности до создания новых живых организмов методами генетических манипуляций.

Современный этап развития генетики характеризуется ее многообразным комплексированием с химией, физикой, математикой, биохимией, физиологией, экологией и другими науками. Этот синтез привел к появлению многих разделов современной генетики: молекулярной, генетики вирусов, бактерий, цитогенетики, математической, радиационной, космической, биохимической генетики, генетики популяций, физиологической, эмбриологической, экологической генетики, иммуногенетики, эволюционной генетики, частной генетики отдельных видов растений, животных, микроорганизмов, человека и т.д.

2. Генетическая инженерия

2.1 Научные познания в генетической инженерии

После переоткрытия в 1900 году законов Г. Менделя, сформулированных им еще в 1865 году, генетика стала бурно развиваться как в теоретическом, так и в практическом направлениях. Усилиями генетиков были открыты закономерности наследования фенотипических признаков, сформулирована хромосомная теория наследственности, разработан Вавиловский закон параллельной изменчивости признаков, доказано, что носителями наследственности являются нуклеиновые кислоты, разработаны теоретические положения повышения продуктивности при производстве антибиотиков, селекции сельскохозяйственных и лесных растений и животных, начаты исследования по изучению популяций организмов. Только краткое перечисление важнейших достижений этой науки заняло бы не одну страницу, написанную петитом. Одним из важнейших ее инновационных достижений является генетическая инженерия. Термин генетическая инженерия появился на рубеже 70-х годов двадцатого века. В то время впервые был выделен in vitro «чистый» ген (лактозный оперон кишечной палочки) и химическим путем был синтезирован ген аланиновой тРНК дрожжей. К этому времени эмбриологи достигли значительных успехов в манипулировании зародышевыми клетками животных. У лягушки удаляли ядро из яйцеклетки и вводили ядро кишечной стенки головастика. При этом получали нормальный взрослый организм. Так впервые неполовым путем было воспроизведено животное. Это достижение позволило клонировать особи, то есть получать их генетически идентичные копии.

Все это позволило заменять определенные дефектные гены полноценными, то есть осуществлять генную терапию. Именно для этого процесса первоначально был введен термин «генетическая инженерия». Однако вскоре стало ясно, что с появлением «чистых» генов открывается перспектива конструирования бактерий с несвойственными им признаками, в том числе и высокоэффективных штаммов промышленных организмов. Поэтому генетической инженерией стали называть комплекс молекулярно-генетических методов, с помощью которых можно осуществлять целенаправленное конструирование организмов путем различных операций над информационными молекулами (В. Н. Рыбчин, 1999).

Особые успехи генетической инженерии связаны с так называемой векторной трансформацией. В основе этого подхода лежит использование векторных молекул, или векторов, в качестве которых применяли плазмиды. Векторы - это молекулы ДНК, способные переносить включенные в них гены в клетку, где эти молекулы реплицируются автономно или после интеграции с геномом. Плазмиды - это внехромосомные факторы наследственности, генетические элементы, способные стабильно существовать в клетке в автономном, не связанном с хромосомным состоянием. Термин «плазмиды» предложил Дж. Ледерберг и др. в 1952 году. Плазмиду, способную объединяться с хромососмой, называют эписомой. К плазмидам относят генетический аппарат клеточных органоидов (митохондрий, пластид), а также группы сцепления, не являющиеся жизненно важными для содержащих их клеток. Наиболее изучены бактериальные плазмиды (фактор фертильности - F-фактор), колициногенные (колицины-антибиотики) факторы (Col-факторы), факторы устойчивости к лекарственным веществам (R-фактор), профаги и многие другие.

Многие плазмиды представляют собой кольцевые двухцепочные молекулы ДНК. Они широко распро-странены в живых клетках (в том числе и высших организмов) и интенсивно используются в генной инженерии в качестве основных компонентов разнообразных молекулярных переносчиков чужеродной ДНК. В 70-е годы выяснилось, что причиной опухолеобра-зования являются так называемые Ti-плазмиды (Ti-tumor inducing, англ., индуцирующая опухоль). Они были обнаружены в клетках некоторых штаммов A. tumefaciens. Ti-плазмиды - это кольцевые молекулы ДНК (размером 50-80 мкм с молекулярной массой около 1,3х108 Дальтон и длиной от 140 до 250 тыс. пар нуклеотидов). Эти плазмиды проникают из бактерий в клетки растения, и часть ДНК Ti-плазмиды, так называемая Т-ДНК вызывает:

1) образование опухоли,

2) гиперпродукцию фитогормонов: цитокининов и индолилуксусной кислоты (ауксина),

3) синтез ряда производных аминокислот, объединяемых под общим названием опины.

Oпухоль возникает вследствие нарушения баланса фитогормонов, от которого зависит нормальный морфогенез растения. Опины, выделяемые клетками опухоли, бактерия использует в качестве источников углерода и азота, причем только в том случае, когда A. tumefaciens содержит Ti-плазмиду, заразившую клетки растения (С. Г. Инге-Вечтомов, 2009).

В настоящее время выделены и проклонированы несколько десятков генов высших растений, в том числе гены, контролирующие запасные белки: сои, ячменя, гороха, кукурузы, а также некоторые гены, контролирующие активность ферментов. На базе Ti-плазмид были созданы векторы, способные интегрироваться в растительные хромосомы. Это дало возможность вводить в клетки растений чужеродные гены и получать из единственной клетки сформировавшееся растение. Такие организмы, в которых чужеродные гены обнаруживаются во всех его клетках, включая половые, называются трансгенными. Они обладают свойством передавать приданные им новые признаки своему потомству. В последние десятилетия трансгенные организмы были получены не только у растений, но и у животных организмов.

Трансгенез (в некоторых публикациях трансгеноз) - это процесс внесения в геном хозяина новой для него конструкции (трансгена).

Первыми чужеродными генами, введенными в начале 80-х годов в высшие растения, были гены устойчивости к антибиотикам из Е. coli. В клетки подсолнечника с помощью Ti-плазмид был передан ген фазеолина бобов. Фазеолин - это гликопротеин, составляющий до 50 % запасного белка бобов. Будущее растение названо санбин [санбин = sunflower (подсолнечник) + bean (бобы)]. Получены растения табака, которые светятся в темноте благодаря экспрессии в них гена люциферазы светлячка. В Центральном НИИ лесной генетики и селекции (г. Воронеж) с конца 80-х годов начаты первые опыты по генетической инженерии с лесными древесными растениями. Однако в последние годы эти исследования, к сожалению, были прекращены.

В целом же получение трансгенных растений идет по нарастающей тенденции. Они уже вышли за пределы лабораторий. В 1994 году впервые на рынке появились томаты, которые остаются твердыми многие недели после их сбора. Прошли полевые испытания устойчивые к гербицидам растения: табак, хлопок, картофель, помидоры, кукуруза, свекла, рапс, салат-латук и др.

Однако остаются вопросы их экологической устойчивости и влияния на окружающую среду, а в некоторых случаях и на их потребителей. Эти проблемы время от времени ставятся в повестку дня и разрабатываются специальные мероприятия по изучению и предотвращению возможных вредных последствий от выведения и использования трансгенных растений. Однако для объективных оценок потребуются многие годы скрупулезных научных исследований. Кроме работ по созданию и исследованию трансгенных растений проводятся аналогичные работы с животными. Цели при этом ставились разные: от изучения самой возможности создания трансгенных животных до животных, с нужными человеку свойствами или имеющих определенные возможности для создания необходимых биопрепаратов. Объем рынка трансгенных животных оценивается в миллиарды долларов (В. И. Глазко, Г. В. Глазко, 2008).

Одной из проблем является создание животных с пониженным содержанием лактозы. Большая часть взрослых людей неспособна переваривать молочный сахар - лактозу, поэтому требуются животные с низким содержанием лактозы в молоке. Во Франции была создана трансгенная мышь, в молоке которой содержание лактозы снизилось на 50 %, в то время как содержание других веществ (жира, белков, минеральных компонентов) не отличалось от контроля. Проводятся также опыты по увеличению скорости роста и массы у свиней и мышей.

В США (Gerald Schatten с сотрудниками из Орегона) был получен трансгенный ребенок обезьяны из породы резус, что считается весьма символичным, поскольку обезьяны, как и человек, относятся к приматам (M. D. Lemonick, 2001). В данном эксперименте в геном обезьяны был введен ген свечения медузы и получен детеныш со светящейся шерстью. Новорожденный малыш назван Энди (ANDi - перевертыш от inserted DNA - введенная ДНК). Схема процесса заключалась в следующем:

1. Используя рекомбинантные ДНК технологии, ученые ввели ген медузы в поврежденный вирус.

2. Затем они инфицировали 224 яйцеклетки обезьян вирусом, надеясь, что при этом ген медузы будет включен в их ДНК.

3. Яйцеклетки были экстракорпорально оплодотворены в экспериментальных пробирках, в результате чего было получено 126 эмбрионов.

4. 40 наиболее здоровых эмбрионов были имплантированы 20 суррогатным матерям, у которых получилось 5 успешных беременностей.

5. В конце эксперимента только три детеныша родились живыми, и только один, Энди, нес введенный ген во всех клетках его тела (рис. 1).

Выведению Энди предшествовала история 20-летних исследований по получению трансгенных животных других видов:

1980 - Первая генетически модифицированная мышь, созданная путем введения нового гена в клет-ки костного мозга, а затем внедрения этих клеток в живое животное.

1986 - Рождение первых трансгенных овец, которые несли человеческий ген свертывания крови.

1990 - Рождение Гения, первого трансгенного поросенка, чья ДНК включала ген несвертываемости белка человека.

1990 - Первый трансгенный бык; бык Герман имел введенный ген лактоферина человека.

1991 - Первые трансгенные дойные коровы, которые несли ген лактоферина человека.

2001 - Объявлено о первом генетически модифицированном примате, трансгенном резусе обезьяны, названной Энди.

Наряду с выведением трансгенных животных предпринимаются попытки лечения трудноизлечимых болезней путем генной терапии. Возможно, что этот путь будет перспективным для лечения болезней нарушения иммунной системы, Альцгеймера, врожденной слепоты и др.

Одним из продуктивных направлений генетической инженерии применительно к растениям стала клеточная инженерия растений. Она основана на так называемой тотипотентности клеток, что означает сохранение их способности к делению и передифференцировке даже в зрелом состоянии. Эта способность и проявляется при культивировании растительной ткани в среде, содержащей необходимые питательные вещества и факторы роста (фитогормоны - ауксины и цитокинины). Клетки ткани дедифференцируются и начинают делиться, образуя однородную массу, так называемый каллус. Внутри каллуса формируются побеги, затем корни. Если концентрация ауксинов в среде существенно больше, чем цитокининов, то формируются только корни.

Если соотношение концентраций обратное, образуются только побеги. Культивировать можно не только ткани, но и отдельные клетки и даже изолированные протопласты. Этот метод используется в растениеводстве для размножения редких ценных или исчезающих форм. В лесном хозяйстве он используется для размножения также трудно черенкующихся лесных древесных пород. У нас он используется в основном в научных организациях. За рубежом такие работы поставлены на поток. Культивирование производится в фитотронах. При этом выделяют фермерский масштаб (0,1-1 млн микрорастений в год) и промышленный масштаб (более 1 млн микрорастений в год) (К. А. Шестибратов, 2008).

С помощью клонального микроразмножения получают также так называемые искусственные семена, полученные неполовым путем (рис. 3). Но если клонирование растений было известно давно, то клонирование млекопитающих вызвало в конце двадцатого века настоящий фурор. Стоит только вспомнить информацию о получении в 1997 году в Шотландии овечки Долли путем клонирования. Она, правда, прожила недолго (до 2003 г.), но успела родить 6 потомков (рис. 4).

После обнародования факта рождения овцы Долли клонирование животных стали производить во многих странах. Так, на Украине в 1999 году было выведено клоновым путем три телочки (Дева, Домна и Дюня). Каждая из них родила по несколько телят обычным половым путем.

В 2000 году были предприняты попытки клонировать мамонта, пролежавшего тысячелетия в вечной мерзлоте (Япония), тасманского тигра, вымершего в 1936 году (Австралия), и примата (США). Из-за низкого качества исходного репродуктивного материала попытки не увенчались успехом. В этом же году в Японии клонирован бык, который прожил несколько лет. В 2001 году в США клонирован кот Дитто, а год спустя две кошки. В 2004 году в Южной Корее клонировали человека. До рождения младенца дело не дошло, но из 100-клеточного эмбриона извлекли стволовые клетки (Аргументы и факты. 2007. № 19).

В научной литературе сообщается о получении клонов козы, кролика, коров, овец, шимпанзе и других животных (В. И. Глазко, Г. В. Глазко, 2008, Press releases, 2009). Предполагается, что будут продолжаться попытки клонировать человека (N. Gibbs, 2001).

Это может быть произведено следующим путем:

1. Врачи извлекают до 15 яйцеклеток из 40 женщин-доноров, которым ввели лекарства, повышающие фертильность. Всего извлекается 400 яйцеклеток.

2. От мужчины - кандидата на клонирование - берут клетки.

3. Ядра из каждой яйцеклетки отсасываются тонкой иглой. Затем свободные от ДНК яйца и клетки донора помещают друг возле друга и воздействуют электрическим разрядом, который вызывает их соединение. Некоторые из перестроенных яйцеклеток делятся и формируют эмбрионы.

4. Затем эмбрионы имплантируют полусотне суррогатных матерей. Поскольку эмбрионы при имплантации часто гибнут, то каждой матери вводят их несколько экземпляров сразу. От этих 50 суррогатных матерей рассчитывают получить 9-10 беременностей. Из них большинство, скорее всего, будет с неудачной беременностью, и только отдельные живые дети могут быть нормальными. А, может быть, и нет (как полагает N. Gibbs, 2001).

В целом клонирование животных и отдельных органов человека будет использоваться в первую очередь в медицинских целях. Сплав современных биотехнологий и генетики обещает существенный прорыв в неизведанное, что позволит значительно улучшить здоровье и жизнь человечества.

Разработка и применение способов получения и слияния протопластов растительных клеток, а также регенерация у них клеточной стенки в сочетании с методами культивирования и дифференцировки клеток in vitro позволили конструировать рекомбинанты, минуя половой процесс, то есть создавать соматические гибриды. Это позволяет объединять протопласты отдаленных видов растений, между которыми половая гибридизация невозможна. Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ Первые успехи в получении соматических гибридов растений данным методом были достигнуты в середине 60-х годов двадцатого века. Вначале были выделены межвидовые гибриды (табака, моркови, петунии и дурмана). Затем удалось получить и межродовые соматические гибриды (картофель х томат, дурман х белладонна). Дальнейшие исследования в направлении соматической гибридизации и повышения стабильности выведенных организмов обещают значительный экономический эффект.

Соматические гибриды животных используются также для картирования генов в хромосомах.

Масштабы работ по генетической инженерии к настоящему времени приобрели такой размах, что это вызывает обеспокоенность экологических и некоторых политических организаций в отношении возможных негативных последствий не только собственно трансгенных растений, но и других организмов, полученных с помощью методов этой науки.

Очевидно, что эти опасения небезосновательны, как очевидно и то, что, однажды появившись, эти методы уже не исчезнут и будут только развиваться и совершенствоваться. Поэтому ничего не остается делать, как принимать какие-то меры и в первую очередь законодательного порядка по недопущению возможных негативных последствий результатов такой молодой, такой многообещающей и в то же время небезопасной науки как генетическая инженерия.

2.2 Генетически модифицированные растения

Генная инженерия возникла на стыке молекулярной биологии, биохимии и других биологических наук, она представляет собой создание генетически модифицированных растений, животных и микроорганизмов путём переноса функционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК), сконструированных in vitro, в ДНК модифицируемого организма. При этом рекомбинантные ДНК становятс составной частью генетического аппарата рецепиентного организма и сообщают ему новые уникальные генетические, биохимические, а затем и физиологические свойства. Для переноса чужеродной информации в геном растений применяют в основном три способа трансформации: бактериальный, вирусный и агролистический. Для двудольных растений наиболее приемлем метод бактериальной трансформации. Естественным вектором горизонтального переноса чужеродной ДНК служит небольшой участок плазмиды Ti Agrobacterium tumefaciens. Этот фрагмент pTi обозначается как Т-район, когда он находится в бактериях, и Т-ДНК, когда он интегрирован в геном растения. Для трансформации устойчивых к агробактериям растений разработаны приемы прямого физического переноса ДНК в клетку, многие из которых взяты из практики работы с клетками бактерий или животных. Эти методы достаточно разнообразны, они включают: бомбардировку микрочастицами или баллистический метод; электропорацию; обработку полиэтиленгликолем; перенос ДНК в составе липосом и др. генетический инженерия растение