Генная инженерия

Содержание:

1.Введение

2. 1. Общие положения: предмет и история развития генетики

1.1 Предмет  генетики

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.

Возможности, открываемые  генетической инженерией перед человечеством, как в области фундаментальной  науки, так и во многих других областях, весьма велики и нередко даже революционны. Так, она позволяет осуществлять индустриальное массовое производство нужных белков, значительно облегчает  технологические процессы для получения  продуктов ферментации – энзимов и аминокислот, в будущем может применяться для улучшения растений и животных, а также для лечения наследственных болезней человека.

Таким образом, генетическая инженерия, будучи одними из магистральных  направлений научно-технического прогресса, активно способствуют ускорению  решения многих задач, таких, как  продовольственная, сельскохозяйственная, энергетическая, экологическая.

Но особенно большие  возможности генетическая инженерия  открывает перед медициной и  фармацевтикой, поскольку ее применение может привести к коренным преобразованиям  медицины. Многие болезни, для которых  в настоящее время не существует адекватных методов диагностики  и лечения (раковые, сердечнососудистые, вирусные и паразитные инфекции, нервные  и умственные расстройства), с помощью  генетической инженерии станут доступны и диагностике, и лечению.

1. Общие  положения: предмет и история  развития генетики

1.1 Предмет  генетики

По признанию  многих современных биологов генетика в последние годы стала сердцевиной  всей биологической науки. Лишь в  рамках генетики разнообразие жизненных  форм и процессов может быть осмыслено  как единое целое.

У кошки всегда рождается  котенок, а у собаки – щенок. Это  значит, что во время скрещивания  передается, а в ходе развития реализуется, информация о специфике строения клеток, тканей, органов, скелета, мышц и общего внешнего вида, типов физиологических  и поведенческих реакций, а также  всего остального, что и делает муху мухой, а гиппопотама – гиппопотамом.

В пределах одного организма идентичная во всех клетках  генетическая информация развертывается в формирование настолько различных  типов клеток или тканей, что трудно поверить в единство их происхождения.

Таким образом, генетика – наука о наследственности и  ее реализации в развитии, о закономерностях  наследования генетически закрепленных признаков. Наследственность можно  определить как биологический процесс, обуславливающий сходство между  родителями и потомством. В понятие  наследственности по М.Е. Лобашеву входят четыре группы явлений: организация генетического материала, его экспрессия, воспроизведение и передача от одного поколения к другому. Таким образом, генетика объединяет в одно целое эмбриологию и биологию развития, морфологию и физиологию, объединяет в единую науку – биологию.

Несмотря на то, что у собаки всегда рождается  щенок, даже беглый взгляд на демонстрируемых  участников выставки собак позволит увидеть огромное разнообразие их форм, окрасок и размеров. Тем не менее, все это – собаки. Проблемы изменчивости общего для любого конкретного генотипа является другой проблемой генетики.

Очень велико и практическое значение генетики, т. к. она служит теоретической основой селекции полезных микроорганизмов, культурных растений и домашних животных.

Из генетики выросли  такие мощно развивающиеся науки  как биотехнология, генетическая инженерия, молекулярная биология. Трудно переоценить  роль генетики в развитии медицины.

1.2 Краткая  история становления генетики

Тема моей курсовой работы – генетическая инженерия  и, т. к. она является одним из разделов молекулярной генетики, я считаю целесообразным кратко рассмотреть основные этапы возникновения самой 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.

2. Генетическая  инженерия

2.1 Теоретические  предпосылки формирования генной  инженерии как науки

Начальные работы американских учёных Уотсона и Крика были произведены  в 1953 году. Они дали возможность развиваться  генной инженерии в качестве самостоятельного раздела науки. Эти открытия заключены  в следующем: была открыта двойная  структура ДНК и постулирован её матричный синтез. Двойная спираль  ДНК при репликации разделится и  вдоль нити ДНК, специальные ферменты-полимеры, собирают точные копии материнской  ДНК, таким образом, в клетке перед  делением две совершенно одинаковые молекулы ДНК, одна из которых после  деления клетки попадает в дочернюю клетку. Таким образом, дочерняя клетка несет ту же самую информацию, что  и материнская, следовательно, выполняет  те же самые функции. Итак, в клетках  живого организма возможен особый тип  реакции – матричный синтез. Одна молекула – матрица, а вторая строится по её программе.

По тому же самому механизму осуществляется сборка РНК, только не двух спиралей, а одной. Этот процесс получил название – транскрипция. Поток информации в клетке обеспечивает реакции матричного синтеза: репликация ДНК (необходима для передачи наследственной информации дочерним клеткам), транскрипция (синтез и-РНК в ядре клетки) и трансляция (сборка белковой цепи на и-РНК при помощи рибосомы).

Казалось бы, что  на рубеже 70-х годов молекулярная биология достигла определённой степени  завершенности: были установлены структура  и механизм репликации ДНК, провозглашена  «центральная догма» экспрессии гена (транскрипция и трансляция), выявлены основные аспекты регуляции активности гена. В этот период главным объектом молекулярно-генетических исследований были микроорганизмы. Переход к эукариотам (включая человека) встретился с  дополнительными проблемами и трудностями, и кроме того, существовавшие в  то время методы не позволяли рассчитывать на получение принципиально новых  результатов. Стремительный порыв  в развитии молекулярной генетики в  начале 70-х годов стал благодаря  появлению нового экспериментального инструмента – рестриктационных эндонуклеаз. Был открыт путь для широкомасштабного получения генных продуктов (физически значимых белков) и для генетического манипулирования с различными организмами. Достигнутые успехи заставили ученых задуматься об этической стороне манипулирования с человеческим зародышем, о возникновения возбудителей различных болезней в процессе генно-инженерных исследований. Многие из этих вопросов были подняты самими учеными активно работающими в данной области. В настоящее время большинство исследователей считают, что опасения касающиеся, генной инженерии, не имеют достаточно оснований, но многие этические проблемы остаются нерешенными и продолжают возникать новые.

В прошлом генетика и медицинская генетика развивалась  как относительно независимые отрасли  науки, теперь многие из их разделов оказались  вовлечёнными в общее русло молекулярно-генетических исследований, и провести между ними грань – трудно.

2.2 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.

В основу генно-инженерных методов заложена способность ферментов  рестриктаз расщеплять ДНК на отделочные нуклеотидные последовательности, которые могут быть использованы для встраивания их в гены бактериальных клеток с целью получения гибридных или химерных форм, эти гибридные формы состоят из собственной ДНК и дополнительно встроенных фрагментов несвойственной им ДНК. Поэтому методами генетической инженерии добиваются клонирования генов. Это когда выделяют нужный отрезок ДНК из какого-либо биообъекта и затем получают любое количество его, выращивая колонии генетически идентичных клеток, содержащих заданный участок ДНК. Клонирование ДНК – это получение ее генетически идентичных колоний.