Генная инженерия. Достижения генной инженерии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Кыргызской Республики Кыргызский национальный университет им. Ж. Баласагына

Факультет социально-гуманитарных наук

Кафедра психологии

СРС

по дисциплине "Психогенетика "

тема: "Генная инженерия. Достижения генной инженерии"

Выполнила:

студентка 3 курса

Вышегородская Н.

Проверила: Данилова Н.Г.

Бишкек 2022 г.

Введение

Генетическая инженемрия (генная инженерия) - совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами, введения их в другие организмы и выращивания искусственных организмов после удаления выбранных генов из ДНК^[1]. Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, генетика, микробиология, вирусология.

Возможности генной инженерии - генетическая трансформация, перенос чужеродных генов и других материальных носителей наследственности в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение генно-инженерно-модифицированных (генетически модифицированных, трансгенных) организмов с новыми уникальными генетическими, биохимическими и физиологическими свойствами и признаками, делают это направление стратегическим.

В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

Термин "новая" биотехнология в противоположность "старой" биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии и более традиционные формы биопроцессов.

Так, обычное производство спирта в процессе брожения - "старая" биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта - "новая" биотехнология. генный инженерия наследственность

Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике. Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах, но, несмотря на столь короткий срок своего существования, биотехнология привлекла пристальное внимание, как ученых, так и широкой общественности.

Генная инженерия - это область биотехнологий, включающая в себя действия по перестройке генотипов. Уже сегодня генная инженерия позволяет включать и выключать отдельные гены, контролируя, таким образом, деятельность организмов, а также - переносить генетические инструкции из одного организма в другой, в том числе - организмы другого вида. По мере того, как генетики всё больше узнают о работе генов и белков, всё более реальной становится возможность произвольным образом программировать генотип (прежде всего, человеческий), с лёгкостью достигая любых результатов: таких, как устойчивость к радиации, способность жить под водой, способность к регенерации повреждённых органов и даже бессмертие.

Таким образом, к началу 70-х годов были сформулированы основные принципы функционирования нуклеиновых кислот и белков в живом организме и созданы теоретические предпосылки генной инженерии

Генетическая инженерия (по его определению) - конструирование in vitro функционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК), или иначе - создание искусственных генетических программ.

История генной инженерии

Генная инженерия появилась благодаря работам многих исследователей в разных отраслях биохимии и молекулярной генетики.

На протяжении многих лет главным классом макромолекул считали белки. Существовало даже предположение, что гены имеют белковую природу.

Лишь в 1944 году Эйвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что носителем наследственной информации является ДНК.

С этого времени начинается интенсивное изучение нуклеиновых кислот. Спустя десятилетие, в 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали двуспиральную модель ДНК. Именно этот год принято считать годом рождения молекулярной биологии.

На рубеже 50-60-х годов были выяснены свойства генетического кода, а к концу 60-х годов его универсальность была подтверждена экспериментально. Шло интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой стали кишечная палочка (E. Coli), ее вирусы и плазмиды.

Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов.

ДНК вирусов и плазмид вводили в клетки в биологически активной форме, обеспечивая ее репликацию и экспрессию соответствующих генов.

В 70-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК. Особая роль в развитии методов генной инженерии принадлежит рестриктазам и ДНК-лигазам.

Историю развития генетической инженерии можно условно разделить на три этапа.

Первый этап связан с доказательством принципиальной возможности получения рекомбинантных молекул ДНК in vitro. Эти работы касаются получения гибридов между различными плазмидами. Была доказана возможность создания рекомбинантных молекул с использованием исходных молекул ДНК из различных видов и штаммов бактерий, их жизнеспособность, стабильность и функционирование.

Второй этап связан с началом работ по получению рекомбинантных молекул ДНК между хромосомными генами прокариот и различными плазмидами, доказательством их стабильности и жизнеспособности.

Третий этап - начало работ по включению в векторные молекулы ДНК (ДНК, используемые для переноса генов и способные встраиваться в генетический аппарат клетки-реципиента) генов эукариот, главным образом, животных.

Формально датой рождения генетической инженерии следует считать 1972 год, когда в Стенфордском университете П. Берг и С. Коэн с сотрудниками создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага и E. coli.

Основные понятия

Генная инженерия - это метод биотехнологии, который занимается исследованиями по перестройке генотипов. Генотип является не просто механическая сумма генов, а сложная, сложившаяся в процессе эволюции организмов система. Генная инженерия позволяет путем операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов дает возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим.

Носителями материальных основ генов служат хромосомы, в состав которых входят ДНК и белки. Но гены образования не химические, а функциональные. С функциональной точки зрения ДНК состоит из множества блоков, хранящих определенный объем информации - генов. В основе действия гена лежат его способность через посредство РНК определять синтез белков. В молекуле ДНК как бы записана информация, определяющая химическую структуру белковых молекул.

Ген - участок молекулы ДНК, в котором находится информация о первичной структуре какого-либо одного белка (один ген - один белок). Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов. Совокупность всех генов клетки составляет ее геном. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Поэтому, например, нервные клетки и по структурно-функциональным, и по биологическим особенностям отличаются от клеток печени.

Перестройка генотипов, при выполнении задач генной инженерии, представляет собой качественные изменения генов не связанные с видимыми в микроскопе изменениями строения хромосом. Изменения генов прежде всего связано с преобразованием химической структуры ДНК. Информация о структуре белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов, реализуется в виде последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и включение других нуклеотидов меняют состав образующихся на ДНК молекулы РНК, а это, в свою очередь, обуславливает новую последовательность аминокислот при синтезе.

В результате в клетке начинает синтезироваться новый белок, что приводит к появлению у организма новых свойств. Сущность методов генной инженерии заключается в том, что в генотип организма встраиваются или исключаются из него отдельные гены или группы генов. В результате встраивания в генотип ранее отсутствующего гена можно заставить клетку синтезировать белки, которые ранее она не синтезировала.

Наиболее распространенным методом генной инженерии является метод получения рекомбинантных, т.е. содержащих чужеродный ген, плазмид. Плазмиды представляют собой кольцевые двухцепочные молекулы ДНК, состоящие из нескольких тысяч пар нуклеотидов. Этот процесс состоит из нескольких этапов.

1. Рестрикция - разрезание ДНК, например, человека на фрагменты.

2. Лигирование - фрагмент с нужным геном включают в плазмиды и сшивают их.

3. Трансформация -- введение рекомбинантных плазмид в бактериальные клетки.

Трансформированные бактерии при этом приобретают определенные свойства. Каждая из трансформированных бактерий размножается и образует колонию из многих тысяч потомков - клон.

4. Скрининг - отбор среди клонов трансформированных бактерий тех, которые плазмиды, несущие нужный ген человека.

Весь этот процесс называется клонированием. С помощью клонирования можно получить более миллиона копий любого фрагмента ДНК человека или другого организма. Если клонированный фрагмент кодирует белок, то экспериментально можно изучить механизм, регулирующий транскрипцию этого гена, а также наработать этот белок в нужном количестве. Кроме того, клонированный фрагмент ДНК одного организма можно ввести в клетки другого организма. Этим можно добиться, например, высокие и устойчивые урожаи благодаря введенному гену, обеспечивающему устойчивость к ряду болезней. Если ввести в генотип почвенных бактерий гены других бактерий, обладающих способностью связывать атмосферный азот, то почвенные бактерии смогут переводить этот азот в связанный азот почвы. Введя в генотип бактерии кишечной палочки ген из генотипа человека, контролирующий синтез инсулина, ученые добились получения инсулина при посредстве такой кишечной палочки. При дальнейшем развитии науки станет возможным введение в зародыш человека недостающих генов, и тем самым позволит избежать генетических болезней.

Эксперименты по клонированию животных ведутся давно. Достаточно убрать из яйцеклетки ядро, имплантировать в нее ядро другой клетки, взятой из эмбриональной ткани, и вырастить ее - либо в пробирке, либо в чреве приемной матери. Клонированная овечка Доли была создана нетрадиционным путем. Ядро из клетки вымени 6-летней взрослой овцы одной породы пересадили в безъядерное яйцо овцы другой породы. Развивающийся зародыш поместили в овцу третей породы. Так как родившаяся овечка получила все гены от первой овцы - донора, то является ее точной генетической копией. Этот эксперимент открывает массу новых возможностей для клонирования элитных пород, взамен многолетней селекции.

Ученые Техасского университета смогли продлить жизнь нескольких типов человеческих клеток. Обычно клетка умирает, пережив около 7-10 процессов деления, а они добились сто делений клетки. Старение, по мнению ученых, происходит из-за того, что клетки при каждом делении теряют теломеры, молекулярные структуры, которые располагаются на концах всех хромосом. Ученые имплантировали в клетки открытый ими ген, отвечающий за выработку теломеразы и тем самым сделали их бессмертными. Возможно это будущий путь к бессмертию.

Еще с 80-х годов появились программы по изучению генома человека. В процессе выполнения этих программ уже прочитано около 5 тысяч генов (полный геном человека содержит 50-100 тысяч). Обнаружен ряд новых генов человека. Генная инженерия приобретает все большее значение в генотерапии. Потому, что многие болезни заложены на генетическом уровне. Именно в геноме заложена предрасположенность ко многим болезням или стойкость к ним. Многие ученые считают, что в XXI веке будет функционировать геномная медицина и генная инженерия.

Достижения и перспективы генетической инженерии

Получение биологически активных соединений. Генетическая инженерия не только открыла возможности для конструирования генов, но и легла в основу новых альтернативных технологий получения биологически активных соединений (гормонов, рилизинг- факторов, регуляторных пептидов, интерферонов и др.). Многие из этих соединений содержатся в биологических объектах в ничтожных количествах, и их препаративное выделение традиционными биохимическими методами оказывается слишком трудоемким, а иногда и невозможным.

Методы генетической инженерии позволяют преодолеть эти трудности путем амплификации соответствующих генов, их клонирования и экспрессии в клетках бактерий, дрожжей и быстро реплицирующихся клетках многоклеточных организмов и таким образом добиться получения значительных количеств физиологически активных молекул, пригодных для практического использования в качестве медицинских препаратов, пищевых продуктов и т. д. Одним из первых методами генетической инженерии был получен гормон роста человека - соматотропный гормон (HGH). В организме он синтезируется клетками гипофиза. Этот гормон состоит из 121 аминокислотного остатка, его мол. масса составляет 20 кДа.

Получение соматостатина представляет собой интересный пример целенаправленного конструирования белков, выполняемого с помощью методов генетической инженерии. Соматостатин представляет собой короткий пептид (содержит 14 аминокислотных остатков), который синтезируется в желудочно-кишечном тракте и тормозит высвобождение из гипофиза гормона роста. Получить соматостатин в клетках бактерий в значительных количествах первое время не удавалось, так как он быстро разрушался протеолитическими ферментами. Чтобы "обмануть" внутриклеточные бактериальные протеазы, пришлось сконструировать химерный белок - искусственный предшественник соматостатина. В этом белке в качестве N-концевого участка использовали легко синтезируемый белок бактерии, а к нему через аминокислоту-связку присоединили сам соматостатин. Все это было сделано на уровне генетического материала (ДНК), который затем клонировали в соответствующем. Для синтеза соматостатина его ген был получен методом химического синтеза, а потом совмещен с бактериальным геном (3-галактозидазы, к которому дополнительно подстроили фрагмент бактериального оперона, содержащий промотор и оператор. В качестве связующего элемента в этой конструкции был использован триплет ATG.

Особое значение для практической медицины имел генно-инженерный синтез инсулина, от недостатка которого, приводящего к диабету, повсеместно страдает огромное количество людей. Инсулин, синтезируется в поджелудочной железе в форме одноцепочечного белка-предшественника - препроинсулина. Препроинсулин содержит сигнальный пептид, аминокислотные последовательности А и В, соответствующие полипептидным цепям зрелого гормона, а также соединительный пептид С.

Инсулин можно выделять из животных (свиней и телят), но некоторые люди испытывают аллергию к его препаратам, полученным из животных, да и сами возможности выделения и очистки гормона не беспредельны.

В 1978 г. в США путем химического синтеза были получены гены, кодирующие аминокислотные последовательности зрелого гормона, и далее осуществлено их клонирование в клетках Е. coli. Однако выход биологически активного гормона был незначителен, вероятно, в связи с отсутствием С-пептида, без которого плохо проходило образование -S-S-мостиков между А- и В-цепями инсулина. В 1980 г. из тканей человека была выделена мРНК инсулина, а в 1982 г. в Канаде была завершена работа по полному химико-ферментативному синтезу гена проинсулина генно-инженерными методами.

Большие успехи достигнуты в области получения методами генетической инженерии биологически активных пептидов. Так, в нашей стране созданы штаммы Е. coli, синтезирующие в составе химерных белков нейропептид лейэнкефалин, а также пептидные гормоны брадикинин и ангиотензин.

Значительное место в практическом использовании методов генетической инженерии занимает синтез интерферонов. В 1957 г. Исаакс и Линдерманн обнаружили, что клетки животных, подвергающиеся воздействию вирусов, выделяют в среду фактор, который способен придавать свежим (не зараженным) клеткам устойчивость к вирусной инфекции. Этот фактор, препятствующий размножению вирусов в клетке, был назван интерфероном. Генетическая трансформация. Методами генетической инженерии удается не только получать отдельные генные продукты, но и направленно конструировать клетки и даже целые организмы животных. Первая такая попытка была сделана американским исследователем Дж. Гордоном в 1980 г.: методом микроинъекции в оплодотворенную яйцеклетку мыши была введена рекомбинантная плазмида pBR322, которая содержала ген тимидинкиназы вируса герпеса и фрагмент генома вируса SV40, вызывающего опухолевую трансформацию. В дальнейшем в геном мыши и других животных удалось ввести гены интерферонов, гормона роста человека и ряд других.

Методы генетической инженерии можно использовать для исправления дефектных генов в обратной генетике. В этом направлении начинают работу с выделения из клеток нужного белка. Затем получают ген этого белка, амплифицируют его, определяют нуклеотидную последовательность и видоизменяют ее, создавая мутантный ген. Если полученный таким образом in vitro ген ввести в оплодотворенную яйцеклетку, то можно получить мутантный (трансгенный) организм, что стало обычной процедурой в отношении не только мышей, но и других многоклеточных тест-объектов: дрозофилы, кроликов и др. Введенный ген может встроиться в хромосому в результате гомологической рекомбинации и стать, таким образом, постоянным элементом генома. Получение трансгенных растений. Этот метод имеет огромное научно-практическое значение прежде всего для увеличения пищевых ресурсов. По данным ЮНЕСКО, к 2050 г. население Земли может удвоиться и будет составлять 11 млрд. Традиционное сельскохозяйственное производство не в состоянии будет обеспечить соответствующий рост продовольствия, поэтому и основные надежды в этом отношении связаны с новыми генно-инженерными биотехнологиями. Традиционные методы селекции и методика слияния протопластов, хотя и позволяют получать новые генотипы растений, но требуют много времени и далеко не всегда приводят к улучшению хозяйственно-ценных признаков. В то же время важным преимуществом растений по сравнению с животными является способность их клеток и протопластов развиваться в целое растение - тотипотентность, что, естественно, используется в работах по получению трансгенных растений.

С использованием приемов генетической инженерии генетическая трансформация растений может осуществляться векторным способом (с использованием агробактерий и вирусов) либо путем прямого переноса генов. Начиная с середины 1980-х гг. создаются векторы на базе грамотрицательных почвенных бактерий Agrobacterium tumefaciens. Агробактерии обладают способностью интегрировать свой генетический материал в клетки двудольных растений.

Вирусные векторы получают на основе фитовирусов, большинство которых содержат одноцепочечную РНК, кодирующую белки, необходимые для репликации и транспорта вируса в растения.

Заключение

В результате интенсивного развития методов генетической инженерии получены клоны множества генов рибосомальной, транспортной и 5S РНК, гистонов, глобина мыши, кролика, человека, коллагена, овальбумина, инсулина человека и др. пептидных гормонов, интерферона человека и прочее.

Это позволило создавать штаммы бактерий, производящих многие биологически активные вещества, используемые в медицине, сельском хозяйстве и микробиологической промышленности.

На основе генетической инженерии возникла отрасль фармацевтической промышленности, названная "индустрией ДНК". Это одна из современных ветвей биотехнологии.

Для лечебного применения допущен инсулин человека (хумулин), полученный посредством рек ДНК. Кроме того, на основе многочисленных мутантов по отдельным генам, получаемых при их изучении, созданы высокоэффективные тест-системы для выявления генетической активности факторов среды, в том числе для выявления канцерогенных соединений.

Список литературы

1. Сингер М., Берг П. Гены и геномы. - Москва, 1998.

2. Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. - Москва, 1981.

3. Панчин А.Ю. Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей. - М.:АСТ. - 2015. - 432 с.

4. Патрушев Л.И. Искусственные генетические системы. - М.: Наука, 2004.

5. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2010.

6. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия: учеб.-справ. пособие / С.Н. Щелкунов. - 4-е изд., стер. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2010.

Размещено на Allbest.ru