Генетическая инженерия

     Содержание:

1. Введение………………………………………………………………...3
2. История становления генетики……………………………………….4
3. Общая характеристика генной инженерии………………………….6
4. Возможности генной инженерии……………………………………..8
5. Области практического применения:
1. Создание трансгенных растений……………………………….10
2. Клонирование животных………………………………………..13
3. Генетическая инженерия человека……………………………..16
6. Заключение…………………………………………………………….21
7. Список литературы…………………………………………………..23
8. Приложение 1(исследования в данной области)…………………..24

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     В естествознании последних десятилетий  доминируют проблемы биологии и медицины. В центре внимания научного познания фигурирует загадка жизни и, в  частности, наследственность и изменчивость человека. Это обусловливает интенсивное  развитие генетики – науки, изучающей  эти свойства живых систем.

     Новые открытия, совершаемые в лабораториях различных стран мира, касаются расшифровки  генома человека и других организмов, познания сложнейших механизмов их функционирования. Ее открытия определяют темпы и направленность социально-экономического развития общества, оказывают существенное влияние  на философию, мораль, право, религию  и другие сферы культуры, поскольку  они затрагивают проблемы управления природой человека и всего живого на Земле.

     В настоящее время в центр молекулярной генетики становятся методы генетической инженерии, с помощью которых  осуществляется целенаправленное изменение  генетических свойств организмов. Генетическая инженерия – область молекулярной биологии и генетики, которая ставит перед собой задачи конструирования  генетических структур по ранее намеченному  плану, создание организмов с новой  генетической программой. Генно-инженерные исследования вносят уникальный вклад  в изучение структурно-функциональной организации геномов различных  организмов. Методология генной инженерии  постоянно совершенствуется, и все  больше исследователей используют ее при решении самых разных задач  биологической науки. 
 
 
 
 

Краткая история становления  генетики

     Фактически  вплоть до начала XX века гипотезы о  механизмах наследственности имели  умозрительный характер. Тем не менее, они представляют интерес для  любознательного читателя.

     Первые  и идеи о механизмах наследственности высказывали древние греки уже  в V веке до н.э., в первую очередь  Гиппократ. По его мнению, половые  задатки (т.е. в нашем понимании  яйцеклетки и сперматозоиды), участвующие  в оплодотворении, формируются при  участии всех частей организма, в  результате чего признаки родителей  непосредственно передаются потомкам, причем здоровые органы поставляют здоровый репродуктивный материал, а нездоровые – нездоровый. Это теория прямого  наследования признаков.

     Аристотель  высказывал несколько иную точку  зрения: он полагал, что половые задатки, участвующие в оплодотворении, производятся не напрямую из соответствующих органов, а из питательных веществ, необходимых  для этих органов. Это теория непрямого  наследования.

     Много лет спустя, на рубеже XVIII–XIX веков, автор теории эволюции Ж.-Б. Ламарк использовал  представления Гиппократа для построения своей теории передачи потомству  новых признаков, приобретенных  в течение жизни.

     Теория  пангенезиса, выдвинутая Ч. Дарвином в 1868 году, также базируется на идее Гиппократа. По мнению Дарвина, от всех клеток организма  отделяются мельчайше частицы –  «геммулы», которые, циркулируя с током  крови по сосудистой системе организма, достигают половых клеток. Затем  после слияния этих клеток, в ходе развития организма следующего поколения  геммулы превращаются в клетки того типа, из которого произошли, со всеми  особенностями, приобретенными в течение  жизни родителей. Отражением представлений  о передаче наследственности через «кровь» является существование во многих языках выражений: «голубая кровь», «аристократическая кровь», «полукровка» и т.д.

     В 1871 году английский врач Ф. Гальтон, двоюродный брат Ч. Дарвина, опроверг своего великого родственника. Он переливал кровь  черных кроликов белым, а затем скрещивал  белых между собой. В трех поколениях он «не нашел ни малейшего следа  какого-либо нарушения чистоты серебристо-белой  породы». Эти данные показали, что  по крайней мере в крови кроликов геммулы отсутствуют.

     В 80-е годы XIX века с теорией пангенезиса  не согласился Август Вейсман, который  предложил свою гипотезу, согласно которой в организме существуют два типа клеток: соматические и  особая наследственная субстанция, названная  им «зародышевой плазмой», которая  в полном объеме присутствует только в половых клетках.

     Подходы к современной генетике наметились в XVIII и, особенно, в XIX веке. Растениеводы – практики, такие как О. Сажре  и Ш. Нодэн во Франции, А. Гершнер  в Германии, Т. Найт в Англии обратили внимание на то, что в потомстве  гибридов преобладают признаки одного из родителей. П. Люка во Франции сделал аналогичные наблюдения о наследовании различных признаков у человека.

     Фактически  всех их можно считать непосредственными  предшественниками Грегора Иоганна  Менделя. Однако, только Мендель сумел  глубоко продумать и провести спланированные эксперименты. Уже в  первоначальной стадии работы он понял, что в эксперименте нужно выполнить  два условия: растения должны обладать константно различающимися признаками и гибриды должны быть защищены от влияния чужой пыльцы. Таким условиям удовлетворял род Pisum (горох). Константность  признаков была предварительно проверена  в течение двух лет. Это были следующие  признаки: «различия в длине и  окраске стебля, в величине и форме  листьев, в положении, в окраске  и величине цветков, в длине цветочных  побегов, в окраске, в форме и  величине стручков, в форме и величине семян, в окраске семенной кожуры и белка». Часть из них оказались недостаточно контрастными и дальнейшую работу он с ними не проводил. Остались только семь признаков. «Каждый из этих семи признаков у гибрида или вполне тождествен с одним из двух отличительных признаков основных форм, так что другой ускользает от наблюдения, или же так похож на первый, что нельзя установить точного различия между ними». Признаки, «которые переходят в гибридные соединения совершенно неизменными… обозначены как доминирующие, а те, которые становятся при гибридизации латентными, как рецессивные». По наблюдениям Менделя «совершенно независимо от того, принадлежит ли доминирующий признак семенному или пыльцевому растению, гибридная форма остается в обоих случаях той же самой».

     Таким образом, заслугой Менделя является то, что из непрерывной характеристики растений он выделил дискретные признаки, выявил константность и контрастность  их проявления, а также он ввел понятие  доминантности и рецессивности.

     Работа  Менделя не смогла заинтересовать современников  и не повлияла на распространенные в конце XIX века представления о  наследственности.

     В 1906 году англичанин Уильям Бэтсон предложил  термин «генетика». В том же году английские генетики У. Бэтсон и Р. Пернет в опытах с душистым горошком обнаружили явление сцепления наследственных признаков, а Л. Донкастер в опытах с бабочкой открыл сцепленное с полом  наследование. В 1909 году датчанин Вильгельм  Иогансен предложил термины «ген», «генотип» и «фенотип». В 1929 году А.С. Серебровский и Н.П. Дубнин на основании  результатов собственных исследований пришли к выводу о делимости гена. В 1952 году Дж. Ледергберг и М. Зиндер открыли явление трансдукции, т.е. переноса вирусами генов хозяина, показав  тем самым роль ДНК в осуществлении  наследственности. Новый этап развития генетики начинается с момента расшифровки  структуры ДНК Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком. Этот этап генетики богат выдающимися открытиями, особенно крупное было связано с расшифровкой генетического кода (Ф. Крик). А в 1969 году в США Г. Хорана с сотрудниками синтезировали химическим путем первый ген.

     Достаточность знаний о механизмах наследственности привела к развитию новой науки  – генетической инженерии. С использованием генно-инженерных приемов из многих живых организмов выделяют и изучают  гены, переносят гены из одних организмов в другие.

     Общая характеристика генетической инженерии

     Генетическая  инженерия – это методы получения  рекомбинантных ДНК, объединяющих последовательности равного происхождения, т.е. осуществляется перенос целых хромосом от клеток-доноров  в клетки-реципиенты.

     Бурное  развитие Генетической Инженерии началось после 1970 г., когда из клеток бактерий научились выделять рестриктазы — ферменты, защищающие бактерии от бактериофагов. Узнавая в чужеродной ДНК специфичный для каждой рестриктазы сайт (последовательность из 4—6 нуклеотидов), рестриктазы делают в этом сайте разрывы обеих цепей ДНК. В результате чужеродная ДНК оказывается разрезанной на фрагменты и нефункциональной. На сегодня известно около 3500 рестриктаз. Например, рестриктаза Eco RI ("еко-эр-один") из кишечной палочки (Escherichia coli) .

     В результате ступенчатого разреза образуются фрагменты ДНК с выступающими однонитевыми концами, комплементарными друг другу. Эти концы могут вновь  соединяться, поэтому их называют "липкими  концами". Если взять ДНК, например, человека и моркови, обработать одной  и той же рестриктазой и смешать, то фрагменты ДНК моркови и  человека будут соединяться липкими  концами. Но такая связь будет  непрочной: водородные связи между  всего лишь четырьмя парами оснований  могут легко разойтись. Слипшиеся  фрагменты ДНК можно зафиксировать, если добавить в раствор ДНК-лигазу (второй по значимости фермент), сшивающую цепи ДНК, разрезанные рестриктазой. В результате получится стабильная рекомбинантная ДНК.

     Далее необходимо сохранить и размножить полученные рекомбинантные молекулы. С этой целью их встраивают в специальные  конструкции, называемые векторными молекулами ДНК, или векторами. Обычно векторы  конструируют из бактериальных плазмид. Типичный вектор включает:

     1. Сайт узнавания определенной  рестриктазой для встраивания  в вектор целевой ДНК.

     2. Ген устойчивости к одному  из антибиотиков для последующего  отбора клеток, получивших рекомбинантный  вектор.

     3. Промотор, обеспечивающий экспрессию  целевой ДНК.

     Приведем  пример использования вектора для  получения штамма кишечной палочки, продуцирующей целевой белок. Для  встраивания в вектор смесь фрагментов целевой ДНК (с геном, кодирующим целевой белок) и ДНК вектора  обрабатывают сначала одной и  той же рестриктазой, затем ДНК-лигазой. В результате образуется рекомбинантный вектор. Для размножения его вводят в клетки кишечной палочки или  дрожжей. На поверхности твердой  питательной среды с антибиотиком каждая клетка, несущая рекомбинантный вектор, размножается и образует колонию  из одинаковых клеток — клон. Каждая клетка-родоначальница клона получила одну молекулу рекомбинантного вектора, которая реплицируется и передается всем клеткам колонии. Поэтому такую  процедуру называют молекулярным клонированием.

     Генетическая  инженерия подразделяется на генную, геномную и хромосомную.

     Сущность  первой (генной) состоит в целенаправленном использовании перестроек естественного  генома, для изменения генетических характеристик известных вирусов  и клеток. В качестве примера можно  привести перемещение в вирусные геномы некоторых клеточных генов, придающих вирусам свойства онкогенности.

     Сущность  геномной инженерии заключается  в целенаправленной глубокой перестройке  генома прокариот вплоть до создания новых видов. При геномной инженерии  вносят большое количество дополнительной генетической информации и получают гибридный организм, который отличается от исходного по многим признакам.

     Хромосомная инженерия – сеть генетической инженерии, объектами ее является хромосомы  клеток высших и низших микроорганизмов (прокариоты, эукариоты), благодаря  хромосомной инженерии стало  возможным лечение наследственных заболеваний, селекция пород животных, различных видов растений.

     Возможности генной инженерии

     Родившись в начале 70-х годов, генетическая инженерия добилась сегодня больших  успехов. Ее методы 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.

     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 100 г. кристаллического инсулина требуется 800–1000 кг поджелудочной  железы, а одна железа коровы весит 200 – 250 грамм. Это делало инсулин  дорогим и труднодоступным для  широкого круга диабетиков. В 1978 году исследователи из компании «Genetec»  впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки. Было показано, что он не содержит белков E. coli, эндотоксинов и других примесей, не дает побочных эффектов, как  инсулин животных, а по биологической  активности от него не отличается.