Лекции по "Биотехнология"

   Электропорация, яғни клетка мембранасын электрлік  тоқпен тексеру. Көптеген зерттеушілер  жоғары кернеуі бар өте қысқа  мерзімде өтетін разрядты қолданады.  Электропорация әдісімен гендер қосжарнақты өсімдіктердің және де жарнақты өсімдіктердің протопластарында тасмалданған.

   Жаруарлар  клеткаларының трансформациясы микроинъекция арқылы нәтижелі өтеді. Өсімдік клеткаларына ДНҚ ерітіндісін құю техникалық жағынан едәуір қиын. Ол үшін сыртқы диаметрі 2 мкм инелерң мен арнаулы микроманипулятор қолданады.

   Соңғы  жылдары баллистикалық әдіс кеңінен  пайдаланып келеді. Алтын немесе  вольфрам микробөліктерінің бетіне  кальцийді, полиэтиленгликольді  пайдаланып ДНҚ-ны қондыпады,  одан кейін сол микробөліктермен арнайы қондырғы арқылы өсімдік клеткаларын атқылайды.

3.Белоктардың  сапасын жақсарту.

   Өсімдіктер  синтездейтін белоктардың сапасын  арттыру генетикалық инженерияның  маңызды мақсаты. Астық тұқымдастарына  жататын өсімдіктерде белоктар эндоспермде жинақталады. Екпе өсімдіктер дәнінде қор ретінде жинақталатын белоктарды құрамы жағынан бір – біріне жақын гендер қодтайды. Бұл гендердің эксперсиясы тек қана белгілі ұлпада және тұқымның даму кезеңінде өтеді.

   Дәннің  қор белоктарының түзіліп жинақталуы күрделі де, дәл реттелетін агрономия және экономика тұрғысынан өте маңызды биосинтетикалық процесс.

   Бір  өсімдіктің қор белогының сапасын  жақсарту үшін оған басқа өсімдіктің  қор белогының генін енгізу  жөнінде алғашқы әрекетті 1983 жылы  АҚШ-та А. Кемп пен Т. Холл істеген. Олар бұршақтың басты қор белогы фазеолин генін Ті –плазмида көмегімен күнбағыстың геномына енгізген еді. Бұл тәжірибенің нәтижесінде «санбин» деген трансгендік өсімдік алынды.

   Одан  кейін бұршақтың фазеолин гені  темекі клеткаларына тасымалданып, регенерант өсімдіктердің барлық ұлпаларында ол генннің эксперсиясы өткен. Бұршақтың пісіп жетілген тұқымның жарнағында фазеолин үлесіне жалпы белоктың 25-50% келеді.

   Жүгерінің  зеин деген қор белогының гені  Т-ДНҚ –ға тігіліп күнбағыс геномына енгізілген. Ол үшін зеин гендері тігілген Ті плазмидалары бар агробактериалар штаммдарын жұқтырып күнбағыстың сабағында ісікті қоздырған.

   Қор белоктарының  гендерін зерттегенде, олардың  мынадай ерекшеліктері анықталды: 1.  оларда интрон болмайды; 2. 25 нуклеотид жұбынан тұратын ерекше тізбектері бар екен, оны эндосперм бокс деп атайды.

   Кез келген  өсімдік белогының амин қышқыл  құрамын жақсарту үшін тек  ауыстырылмайтын амин қышқылдарынан  тұратын бұрын – соңды болмаған  қолдан жасалған табиғатта кездеспейтін полипептидтерді кодтайтын жаңа гендерді пайдалануға болады.

Билет №22

1.Гендік  инженерияның мүмкіндіктері мен  даму болашағы.

   Өсімдіктер  клеткаларына бөтен генетикалық  информацияны енгізу мүмкіндігі  тәжірибе жүзінде дәлелденді. Осы  әдістерді пайдалану негізінде бағалы қасиеттері бар өсімдіктерді шығару үшін болашақта көп үміт күтерлік жол ашылды.

   Өсімдіктерге  бөтен гендерді тасымалдау жөніндегі  деректер 1981 жылдан бері белгілі.  Бактериалар, жануарлар және өсімдіктер  гендері плазмидалық Т-ДНҚ-ның рестрикциялық бөліктеріне тігіліп, өсімдік геномына нәтижелі тасымалданған. Соның арқасында гендік инженерия әдістерімен құрастырылған алғашқы өсімдіктер алына бастады. Өсімдіктерге бөтен генді Ті – плазмиданың көмегімен енгізу әрекеттері ең алдымен бактерия гендерін тасымалдауымен байланысты болды. Ол үшін көбіне антибиотиктерне төзімділікті белгілейтін Е. coli  гендері қолданады. Бұл гендерді пайдаланудың себебі, олардың өсімдік геномына тіркесуін оңай тексеруге болатындығынан. Бірақ бұл антибиотиктер төзімділік белгісінің өсімдік үшін ешбір пайдасы жоқ.

   Өсімдіктердің  ауыл шаруашылығында бағаланатын  негізгі белгілері, атап айтқанда: түсімділік, тез жетілу, сабақ пен  масақтың ұзындығы, түрлі стресс  факторларға төзімділік. Осындай  құнды қасиеттер көпгендік жүйелердің бақылауымен қалыптасады, яғни гендердің күрделі комплекстерінің өзара әрқилы әрекеттесуі арқылы пайда болады.

2.Гербицидтерге  төзімді өсімдіктерді жасау.

Жаңа қарқынды технологиялар бойынша ауыл шарруашылығында  гербицидтер кеңінен қолданады. Қазіргі кезде бұрын қолданылған экологияға қауіпті, сүтқоректілерге улы гербицидтердің орнына жаңа, қауіпсіз гербицидтер пайдаланады. Бірақ олардың да кемшілігі бар. Олар арам шөптерді жоюмен қатар екпе өсімдіктердің де өсуін біраз тежейді.

   Глифосат, атразиндер, сульфонилмочевина туындылары  сияқты тиімділігі жоғары гербицидтер  кейбір арам шөптер төзімді  келеді. Мысалы, атразин қолданылатын  егістік жерлерде, көптеген өсімдік  түрлерінің төзімді биотиптері  пайда болады.

   Әр  түрлі химиялық қосылыстарға, соның ішінде гербицидтерге де, төзімділікті қамтамасыз ететін төрт механизм бар: 1. тасмалдаушы 2. жоюшы 3. реттеуші   4. жанасушы

   Транспорттық  төзімділік механизмі гербицидтің  клеткаға кіруін тежейді. Жоюшы  механизмі – клетканың ішіне кірген заттар клетка индукциялайтын факторлар әсерімен жойылады, көбінесе ол ыдыратушы ферменттер немесе улы заттар модификациялану арқасында зиянсыз заттарға айналады. Реттеу механизмі – гербицид әсерімен инактивтенетін белок немесе фермент қайтадан қарқынды синтезделе бастайды, соның арқасында қажет метаболиттің орны толады. Контакттық механизмі – гербицид әсер ететін нысанының құрылымы өзгертіледі де гербицид зиян әсер көрсете алмайды.

   Гербицидтерге  төзімділік жалғыз ббір ғана  генмен белгіленеді, яғни моногендік болады. Бұл жағдай осы белгіні басқа өсімдікке рекомбинаттық ДНҚ-ны қолданып енгізу жұмысын жеңілдетеді.

   Кең  пайдаланатын глифосат гербициды  маңызды ароматикалық амин ұышұылдарының  синтезін тежейді. Ол 5 –енолпирувилшикимат  -3-фосфосинтетаза ферментіне әсер етеді.

   Дәнді  дақылдар егістігінде кеңінен  қолданатын гербицидтерге атразин  жатады. Ол ІІ фотожүйенің бір  белогымен байланысып, электрондардың  тасмалдануын тоқтатады, яғни  фотосинтезді тежейді. 

3.Патогендер мен зиянкестерге төзімді өсімдіктерді жасау.

   Ауыл  шаруашылығы микроб, саңырауқұлақ, вирустық патогендер тигізетін  зияны орасан зор. Сондықтан  түрлі ауруларға төзімді өсімдік  сорттарын шығару ауыл шаруашылық  биотехнологияның ең бір өзекті  міндеті және де гендік инженерияны  практикада қолдану жолындағы .здік мәселе болып табылады.

   Гендік  инженерия тәсілімен төзімділік  қасиетін кодтайтын бұл гендердің  эксперсиясын реттеуш элементерін  алмастыру және күшті промоторды  енгізу арқылы арттыруға болады  немесе ол гендердің санын  көбейтуге болады.

   Фитовирусологияда  индукцияланған айқас төзімділік  деген құбылыс белгілі. Бұл  құбылыс гер өсімдікке вирустың  бір штаммын жұқтырса, ондай өсімдік  сол вирустың басқа штаммдарына  төзімді болады. Өсімдікте иммунитет  пайда болу үшін оған вирустың өзін емес, тіпті жеке гендерін, мысалы капсида белоктарының гендерін енгізу жеткіліктң екенн.

   Фитопатогендік  саңырауқұлақтар өсімдіктерге көп  зиян тигізеді. Ауыл шаруашылығында  олармен күресудің жалғыз жолы  бар, ол фунгицидтерді қолдану,  бірақ химиялық заттар қоршаған ортада жинақталып адамдарға, жануарларға зиян келтіреді. Өсімдіктерге патоген енген кезде оларда түрлі қорғану рекциялары басталады, соның ішінде ерекше белоктарды синтездеу процесі.

Билет №23

1.Стрестік  жағдайларға өсімдіктердің төзімділігін арттыру.

  Өсімдіктер  қоршаған ортаның көптеген қолайсыз  факторларының әсерінен тап болады. Олар жоғары және төмен температурада,  ылғалдың жетіспеушілігі топырақтың  тұздануы, ауаның газдануы, минералды  заттардың жетіспеушілігі немесе  керісінше шектен тыс көбеюі т.с.с. Бұл факторлар өте көп болғандықтан олардан қорғау жолдары да әр түрлі –физиологиялық қасиеттерден құрылымдық өзгерістерге дейін. Өсімдіктердің қандай стресс факторына төзімділігі көптеген гендерге байланысты. Сондықтан, өсімдіктің бір түрінен екінші түріне барлық төзімділік белгілерін толығымен тасмалдап енгізу тек қана гендік инженерия әдістерімен әрине мүмкін емес. Бірақ сондада кейбір жағдайда гендік инженерия арқылы өсімдіктердің төзімділігін арттыруға болады.

   Өсімдіктердің  топырақтың тұздануына, құрғақшылыққа бейімделу кезінде осмопротекторларды синтездейді. Бұл заттар клетка суды сіңіріп ұстауына және де макромолекулалардың бұзылмауына көмектеседі. Осмопротекторлар ретінде қанттар, спирттер, пролин және бетаин белгілі. Бетаин синтезін өсімдіктерде гендік инженерия әдісімен арттыруға болады.

2.Биологиялық  молекулалық азотты сіңірудің  тиімділігін арттыру. 

   Азот  өсімдіктер үшін ең тапшы элемент. Көптеген, тіпті экономика жағынан дамыған елдердің өзінде, химия өнеркәсібі ауыл шаруашылығының азоттық тыңайтқыштарға деген қажетін қанағаттындыра алмайды. Азоттық тыңайтқыштарды шығару процесі өте қымбат, және де қоршған ортаға теріс әсер етеді. Өсімдіктер топыраққа салған тыңайтқыштың тек 40-50% ғана сіңіріледі, қалғаны суаттарға, жер астындағы суларға еріп түсіп, оларды ластайды. Сондықтан биологиялық азотты сіңіру процесін зерттеу ерекше маңызды мәселе.

   Молекулалық  азот инертті газ ретінде ауаның  құрамына кіреді. Осы ауадағы  азотты сіңіруге қабілетті бар  организмдердің биохимия, физиология және генетикасы әжептеуір зерттелді. Мысалы, молекулалық азоттың тотықсызданып аммониге айналуына жауапты нитрогеназа ферменті жақсы зерттелген. Нитрогеназаның құрылымы молекулалық азотты сіңіре алатын барлық организмдерде бірдей.

   Азотофиксаторлардың арасында ең жақсы зерттелгендер, бұршақ тұқымдас өсімдіктермен симбиоз түзетін ризобия бактериялары. Осы бактерияларда молекулалық азотты сіңіру процесіне 17 ген жауапты екен. Бұл гендерді nif-гендері деп атайды. Барлық nif-гендері бір – бірімен тіркеседі және хромосомада гистидин биосинтезіндегі ферменттердің гендері мен шиким қышқылының сіңіруіне жауапты гендердің аралығынан орын алады.

   Молекулалық  азотты сіңіре алатын жаңа  бактериялар оларға nif-гендерін енгізу  арқылы алынған. Мысалы, nif-гендері ішек таяқшалары, сальмонеллаға т.б. микроорганизмдерге тасымалданған.

3.Өсімдіктер  гендік инженериясының келешегі.

Өсімдіктердің гендік инженериясы саласында бірінші  жұмыстар ин витро өсірілетін клеткалармен 1980 жылы жүргізілген. 1983 жылы алдымен күнбағыстың трансгендік каллусы, кейін сол каллустан табиғатта мүлдем болмаған санбин өсімдігі алынды. Санбин (ағ. Күнбағыс пен бұршақ ) деген ол геномында бұршақтың белогы фазеолинді кодтайтын гендерді бар күнбағыс өсімдігі еді.

   Гендік  инженерия гендерді тасымалдау тәсілі ретінде болашақта екпе өсімдіктердің селекциясының тиімді аспабы бола алады. Қазіргі кезде гендік инженерия алғашқы қадамдарын басып, екпінді дамып келеді.

  Гендік  инженерия әдістемелік негізі  жапырақтың мезофилл клеткаларының  немесе каллус ұлпасының протопластары болады. Жаңа генетикалық информацияға ие болған протопласты өсіріп, одан регенерант өсімдігін алуға болады. Генетикалық трансформация үшін сомалық клеткалардан басқа тозаң клеткалары, жұмыртқа клеткасы қолданылады. Сонымен, ин витро өсірілетін клеткаларға гендік инженерияның әдістерін қолданып, өсімдіктердің бағалы белгілері бар негізінде жаңа формаларын құруға болады.

   Гендік  инженерияның жұмысы мынадай  кезеңдерден тұрады:  1. басқа организмге  көшірілетін құрылымдық генді алу; 2. оны вектордың құрамына енгізу, яғни рекомбинаттық ДНҚ жасау; 3. рекомбинаттық ДНҚ-ын өсімдік клеткасына тасымалдау; 4. өсімдік клеткаларында бөтен ДНҚ-ның эксперссиясын талдау; 5. геномы өзгерген жеке клеткалардан регенерант өсімдігін алу.

Билет №24  

1. Фотосинтездің тиімділігін арттыру.

   Соңғы  кезде жаңа сорттар мен будандардың  өнімділігі бірнеше жолдармен  арттырылып келеді: 1. өсімдіктің  құрылымын генетикалық жетілдіру  арқасында; 2. жапырақ көлемін ұлғайту  арқылы; 3. өсімдіктің өнім беруші мүшелері массасы мен вегетативтік массаның өзара қатынасын өзгерту арқылы; 4. қор сақтайтын мүшелерде ассимиляттардың жинақталуын арттыру арқылы.

   Ал  енді өсімдіктердің өнімділігінің  одан әрі терең физиологиялық  және генетикалық зерттеулер  негізінде аппаратын реттеп басқару арқылы жүзеге асады. Фотосинтез аппартының активтілігін арттыру жолының бірі, ол көміртегін сіңіру процесінің генетикалық негізін өзгерту.

   С₄ -өсімдіктері өздерінің өсу қарқындылығымен және фотосинтездің қарқындылығымен сипатталады. Оларда фототынысалу процесі байқалмайды. Ал көптеген ауыл шаруашылық өсімдіктері С₃ -өсімдіктері тобына жатады. Оларда жарықта тынысалу процесі жақсы өтеді. Фотосинтезбен тыныс алу процестері өзара тығыз байланысты. Олардың негізінде ең бір маңызды ферменттің –рибулозобисфосфаткарбоксилазаның екі функциясы жатады: карбоксилаза және оксигеназа функциялары.