Проблемы в биотехнологии и их решения

Клеточная инженерия - широко используется в селекции растений. Выведены гибриды томата и картофеля, яблони и вишни. Регенерированные из таких клеток растения с измененной наследственностью позволяют синтезировать  новые формы, сорта, обладающие полезными  свойствами и устойчивые к неблагоприятным  условиям и болезням. Этот метод  и широко используется для «спасения» ценных сортов, пораженных вирусными  болезнями. Из их ростков в культуре выделяют несколько верхушечных  клеток, еще не пораженных вирусом, и добиваются регенерации из них  здоровых растений, сначала в пробирке, а затем пересаживают в почву  и размножают.

2.2 Клонирование

Клонирование - “получение идентичных потомков при  помощи бесполого размножения” По-другому  определение клонирования звучит так  “Клонирование - это процесс изготовления генетически идентичных копий отдельной  клетки или организма”. То есть эти  организмы похожи не только внешне, но и генетический код, заложенный в  них, одинаков.

Возможности клонирования открывают новые перспективы  для садоводов-огородников, фермеров-животноводов, а также для его медицинского применения. “Одной из главных задач  в данной области является создание коров, в молоке которых будет  содержаться сыворотка человеческого алгаомина. Эта сыворотка используется для лечения ожогов и иных травм, и мировая потребность в ней составляет от 500 до 600 тон в год”. Это одно направление.

Второе - создание органов животных, которые  можно будет использовать для  трансплантации человеку. “Во всех странах существует серьезный недостаток донорских органов - почек, сердец, поджелудочных  желез, печени. Поэтому идея, что  можно создать практически конвейерное  производство трансгенетических свиней, по графику поставляющих такие органы для пациентов, специально подготовленных для приема этих органов, вместо того, чтобы отчаянно пытаться найти подходящую ткань у донора-человека - такая идея является волнующей перспективой”.

Путём клонирования можно получать животных с высокой продуктивностью яиц, молока, шерсти или таких животных, которые выделяют нужные человеку ферменты (инсулин, интерферон, химозин). “Человеческие  ферменты можно получать и более  простым способом: взяв нужную клетку крови человека, клонировать её и  вырастить клеточную культуру, которая  в лабораторных условиях будет производить  нужный фермент. Комбинируя методы генной инженерии с клонированием, можно  вывести трансгенные сельскохозяйственные растения, которые смогут сами себя защищать от вредителей или будут устойчивы к определённым болезням.”

Способы клонирования - Как уже говорилось выше, получение идентичных потомков при помощи бесполого размножения  называется клонированием. Этот метод  возник в результате попыток доказать, что ядра зрелых клеток, которые  закончили своё развитие, содержат всю информацию, необходимую для  кодирования всех признаков организма, специализация каждой клетки обусловлена  включением определённых генов или  их выключением, а не утратой некоторых  из них. Первый успех был достигнут профессором Корнельского университета Стюардом. Он доказал, что, выращивая отдельные клетки съедобной части моркови в среде, содержащей нужные питательные вещества и гормоны, можно индуцировать процессы клеточного деления, приводящие к образованию новых клеток моркови.

“Первым, кто доказал возможность искусственного получения близнецов, был немецкий эмбриолог Дриш. Разделив клетки двуклеточного зародыша морского ежа, он получил два генетически идентичных организма. Первые успешные опыты по трансплантации ядер клеток тела в яйцеклетку осуществили в 1952 году Бриге и Кинг, проводившие опыты с амебами. А в 1979 году англичанин Виладсен разработал метод получения однояйцевых близнецов из эмбрионов овцы и коровы. Однако развития эмбрионов добиться не удалось” А в 1976 году Дж. Гердон доказал возможность клонирования на лягушках. Однако лишь в 1983 году учёным удалось получить серийные клоны взрослых амфибий

Как же, вопреки строгой закономерности, можно заставить клетку развиваться  только с материнским диплоидным набором хромосом? Теоретически решение  этой проблемы возможно двумя способами: хирургическим и “терапевтическим”.

Хронологически  второй метод изобретён намного  раньше. Сто лет назад зоолог Московского  университета А. А. Тихомиров открыл, что яйца тутового шелкопряда под  воздействием различных химических и физических реакций могут развиваться  без оплодотворения. Такое развитие было названо партеногенезом. Но оно  рано останавливалось: партеногенетические  эмбрионы погибали ещё до вылупления личинок из яиц.

Б.Л. Астауров в 30-е годы в результате длительных исследований подобрал термическое воздействие, которое одновременно блокировало стадию мейоза, то есть превращение диплоидного ядра яйцеклетки в гаплоидный, и активировало неоплодотворённое яйцо к развитию. С ядром, оставшимся диплоидным, развитие заканчивалось вылуплением личинок, повторяющих генотип матери, включая пол.

Клонировать млекопитающих можно, как упоминалось, и другим способом - хирургическим. Он основан на замене гаплоидного  ядра яйцеклетки на диплоидное ядро, взятое из клеток эмбрионов. Эти клетки ещё  не дифференцированы, то есть не началась закладка органов, поэтому их ядра легко  заменяют функцию диплоидного ядра только что оплодотворённой клети. Таким методом в США (1952) У. Р. Бриггс и Т. Дж. Кинг, в Англии Д. Б. Гордон (1960) получили генетические копии лягушки, а в 1997 году шотландец И. Уилмут получает хирургическим путём знаменитую овцу Долли - генетическую копию матери. Для этого из клеток её вымени было взято ядро для пересадки в яйцеклетку другой овцы. Успеху способствовало то, что взамен инъецирования нового ядра применялись воздействия, приводящие к слиянию лишённой ядра яйцеклетки с обычной неполовой клеткой. После этого яйцеклетка с заменённым ядром развивалась как оплодотворённая. Очень важно, что этот метод позволяет взять ядро клонируемой особи в зрелом возрасте, когда уже известны её важные для человека хозяйственные признаки. Но у Долли были не слишком удачные предшественники. Её создатель, Ян Уилмут, произвёл 277 ядерных трансплантаций: получил 277 эмбрионов, из которых только 29 прожили дольше шести дней, и один из которых развился в полноценного ягнёнка, названного Долли.

“Профессор  Нейфах и его коллеги из Института биологии развития Российской недавно скопировали каспийского осетра. Технология тут примерно такова. В клетке осетра убивают ядро, на его место вводят два сперматозоида и тепловым ударом заставляют их слиться воедино. Процесс слияния был необходим затем, чтобы удвоить набор хромосом в спермии. Далее уже все определяется умением задействовать сложные внутренние связи и, в конце концов, "выходить" зародыш, создав ему благоприятные условия. Основной аргумент российских биологов - они пытаются спасти каспийского осетра как вид. По размерам искусственные осетры, правда, пока не дотягивают до нормы, но, как утверждают исследователи, это уже технические трудности”

“А  ученые из университета штата Висконсин  опробовали новую методику клонирования млекопитающих, отличную от той, что  применялась учеными из Рослингского института, вырастившими Долли. В качестве основного исходного материала новаторы использовали яйцеклетку коровы. Ее лишали так называемого генетического кода и имплантировали молекулы ДНК других клонируемых животных - свиньи, крысы, овцы или обезьяны. При этом источником наследственного материала служили клетки тканей взрослых особей, взятые, например, из свиного или крысиного уха. После искусственного оплодотворения из коровьей яйцеклетки, получившей новую генетическую информацию, развивался зародыш другого млекопитающего - копия генетического донора. Таким образом, ученым удалось благополучно вырастить в лабораторных условиях эмбрионы свиньи, крысы, овцы, обезьяны да и самой коровы.

Специалисты из Висконсинского университета уверены, что их исследования имеют важное значение для развития генной инженерии и изучения возможностей генетического донорства. Руководители этих работ Нил Ферст, одним из первых в США приступивший к опытам по клонированию коров, и Таня Доминко полагают, что использованная ими методика в будущем сможет помочь сохранению исчезающих и редких видов животных.” Учтя опыт шотландцев, американцы несколько изменили метод клонирования, использовав ядра эмбриональных (зародышевых) фибробластов - клеток, дающих соединительную ткань, взятых из взрослого организма. Таким образом, они резко увеличили эффективность метода, а также облегчили задачу введения “чужого” гена, так как в культуре фибробластов это сделать значительно легче.

Сейчас  перед людьми не стоит вопроса: “Клонировать или нет?” Конечно клонировать. Благодаря этому открываются новые возможности. Например, в сельском хозяйстве можно получить высоко продуктивных животных или животных с человеческими генами. А также клонирование органов и тканей - задача номер один в траспланталогии. Стоит другой вопрос: “Разрешить ли клонирование человека?” С одной стороны это возможность бездетных людей иметь своих собственных детей, а с другой - возможность получения новых Наполеонов и Гитлеров, а также получение клонов для последующего использования их в качестве доноров необходимых органов. Вопрос клонирования человека остаётся открытым!!

Клонирование - ключ к вечной молодости.

Немало  спекуляций и домыслов появилось в последнее время относительно нового способа "изготовления" людей путем клонирования. Тут и страхи появления нового Гитлера и ему подобных, и рассуждения в духе апокалипсиса о том, что в будущем клоны вытеснят и уничтожат "нормальных людей", и другие тому подобные ужасы.

За  всю историю человечество сотворило  немало глупостей, но возможный запрет клонирования рискует побить все  рекорды. Ибо оно, клонирование, не просто гуманно по своей сути, но способно кардинально решить такие проблемы, как трансплантация органов, возможность  иметь детей при самых тяжелых  случаях бесплодия и одиноким людям, а также шанс потерявшим ребенка  родителям хоть немного смягчить свое горе, воспитывая двойника.

Трансплантация  клонируемых органов способна спасти миллионы людей, умирающих по всему  свету из-за дефицита органов, который  создается, кстати, из-за всевозможных ограничений, навязанных "моралистами": целостность трупа и его неприкосновенность после смерти.

Вторым  важным следствием трансплантации клонируемых  частей тела может стать пересадка  утраченных органов: рук, ног, глаз и  т.д. Лишить людей надежды забыть про инвалидность и стать нормальными  людьми - разве это не в высшей степени негуманно?

2.3 Генная инженерия

Что такое генетическая инженерия? Генетическая инженерия - это раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых комбинаций генетического  материала. Основа прикладной генетической инженерии - теория гена. Созданный  генетический материал способен размножаться в клетке-хозяине и синтезировать  конечные продукты обмена.

Из  истории генетической инженерии. Генетическая инженерия возникла в 1972 году, в Станфордском университете, в США. Тогда лаборатория П. Берга получила первую рекомбинатную (гибридную) ДНК или (рекДНК). Она соединяла в себе фрагменты ДНК фага лямбда, кишечной палочки и обезьяньего вируса SV40.

Генная  инженерия - направление исследований в молекулярной биологии и генетике, конечной целью которых является получение с помощью лабораторных приемов организмов с новыми, в  том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств. В основе генной инженерии  лежит обусловленная последними достижениями молекулярной биологии и  генетики возможность целенаправленного  манипулирования с фрагментами  нуклеиновых кислот. К этим достижениям  следует отнести установление универсальности  генетического кода, то есть факта, что у всех живых организмов включение  одних и тех же аминокислот  в белковую молекулу кодируются одними и теми же последовательностями нуклеотидов  в цепи ДНК ; успехи генетической энзимологии, предоставившей в распоряжение исследователя набор ферментов, позволяющих получить в изолированном виде отдельные гены или фрагменты нуклеиновой кислоты, осуществлять in vitro синтез фрагментов нуклеиновых кислот, объединить в единое целое полученные фрагменты. Таким образом, изменение наследственных свойств организма с помощью генной инженерии сводится к конструированию из различных фрагментов нового генетического материала, введение этого материала в рецепиентный организм, создания условий для его функционирования и стабильного наследования.

Строение  рекомбинатной ДНК - Гибридная ДНК имеет вид кольца. Она содержит ген (или гены) и вектор. Вектор - это фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение гибридной ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы - белков. Большая часть векторов получена на основе фага лямбда, из плазмид, вирусов SV40, полиомы, дрожжей и др. бактерий. Синтез белков происходит клетке-хозяине. Наиболее часто в качестве клетки-хозяина используют кишечную палочку, однако применяют и др. бактерии, дрожжи, животные или растительные клетки. Система вектор-хозяин не может быть произвольной: вектор подгоняется к клетке-хозяину. Выбор вектора зависит от видовой специфичности и целей исследования. Ключевое значение в конструировании гибридной ДНК несут два фермента. Первый - рестриктаза - рассекает молекулу ДНК на фрагменты по строго определенным местам. И второй - ДНК-лигазы - сшивают фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких ферментов создание искусственных генетических структур стало технически выполнимой задачей.

Этапы генного синтеза - Гены, подлежащие клонированию, могут быть получены в составе фрагментов путем механического  или рестриктазного дробления тотальной ДНК. Но структурные гены, как правило, приходится либо синтезировать химико-биологическим путем, либо получать в виде ДНК-копии информационных РНК, соответствующих избранному гену. Структурные гены содержат только кодированную запись конечного продукта (белка, РНК), и полностью лишены регуляторных участков. И поэтому не способны функционировать в клетке-хозяине.

При получении рекДНК образуется чаще всего несколько структур, из которых только одна является нужной. Поэтому обязательный этап составляет селекция и молекулярное клонирование рекДНК, введенной путем трансформации в клетку-хозяина. Существует 3 пути селекции рекДНК: генетический, иммунохимический и гибризационный с мечеными ДНК и РНК.

Практические  результаты генной инженерии - 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. Генная инженерия может дать в неограниченном количестве гормоны и другие белки человека, необходимые для лечения генетических болезней (например, инсулин, гормон роста и др.). Усилия генной инженерии направлены на получение бактерий с высокоактивной нитрогеназой, способных в больших количествах связывать и накапливать азот. Еще более интересны попытки биологов включить ген нитрогеназы в растительную клетку. В генной инженерии бактериофаги используются для переноса генетического материала, т. е. В качестве векторов. Задача генной инженерии - активная и целенаправленная перестройка генов живых существ и их конструирование, т.е. управление наследственностью.