Современные проблемы биотехнологии

       К  числу  перспективных  направлений  биотехнологии  относится  модификация  генома  культурных  растений  с  целью  повышения  урожайности  и  улучшения  их  устойчивости  к  вредителям  и  неблагоприятным    условиям  среды. Наибольший интерес вызывает, естественно, возможность трансформации однодольных растений (прежде всего, злаковых). 

       Трансформация генома высших  растений реализуется двумя методами: баллистическим  и с использованием природной системы переноса генетического материала – части Ti-плазмиды (Т-ДНК) – Agrobacterium  tumefaciens – возбудителя бактериального рака  или корончатого  галла у  двудольных растений.  В  качестве  маркерной  системы  используют  гены  антибиотикоустойчивости,   а   также   новые   системы   –     Lux-гены    или   ген   бактериальной  β-глюкуронидазы,         вызывающий        окрашивание        селективной       среды. Ti-плазмиды,  модифицированные  разными  генами,  переносят  в  растения. Перенос  генетической информации  с  помощью  Ti-плазмиды  осуществлен и  на примере однодольных растений: использовали ткани луковицы гладиолуса с удаленными боковыми частями. Цилиндрические эксплантанты заражали  вирулентными  штаммами  агробактерии,  несущими  Ti-плазмиду,  которая  содержит гены, кодирующие синтез опинов; спустя 24 ч на поверхности зараженного растения появлялись опухоли. Специалисты Карнелского университета  (США)  предложили  новый  метод  –          стрелять  по  клеткам  растений  вольфрамовыми  пулями,  покрытыми  генетическим  материалом.  «Обстрел»  клеток-хозяина происходит  со  скоростью  свыше  1  000  км/ч  миллионом  металлических  дробинок,  покрытых  слоем    фрагментов  ДНК;  метод  оказался  универсальным.

       С помощью генетического конструирования  стало возможным получение соле-, гербецидо- и морозоустойчивых растений. По оценкам специалистов, в США ежегодный ущерб от заморозков оценивается в 6 млрд дол. Оказалось, что наиболее активными центрами кристаллизации являются отдельные  бактерии  (представители  Pseudomonas,  Erwinia),  способные  вызывать  образование льда при 0 оС; их назвали INA-бактерии – активные кристаллизаторы воды (Ice-nucleation Active). В этих бактериях идентифицирован специфический мембранный белок, вызывающий кристаллизацию; ice-гены  были клонированы и модифицированы. Удаление средней части привело к потери способности экскретировать белок кристаллизации. В результате бактерии  с  модифицированным  ice-геном  утратили способность  кристаллизовать  воду  при −1–5 оС. Посев  этих  генетически  модифицированных бактерий на  растения  в  момент  распускания  почек    препятствует  колонизации  другими  бактериями,    поэтому  растения  фактически иммунны  для  заражения  INA- бактериями дикого типа и им не страшны кратковременные заморозки.

       Вторая волна «зеленой революции»  ориентирована на получение генетически  модифицированных         «самоудобряющихся»        растений.  Установлено,  что  в  составе  генома  азотфиксирующих  симбиотических  бактерий  имеется  группа  генов,  ответственных  за  симбиоз  с  растениями  и  локализованных  в  крупных симбиотических плазмидах pSym; процесс формирования клубеньков контролируют nod-гены и, наконец, nif-гены ответственны за синтез нитрогеназы, т.е. азотфиксацию. В настоящее время большие средства в США и других странах вкладываются в программу получения трансгенных злаковых с генами азотфиксации. Однако при переносе генов азотфиксации в высшие  растения,  помимо  трудностей  генетического  характера,  имеются  и  другие.

Пока не изучена в должной мере регуляция взаимосвязи генов фиксации азота  с  генами,  ответственными  за  синтез  переносчиков  электронов  и  кофакторов,  необходимых  для  функционирования  фермента нитрогеназы.  Последняя  должна  быть  защищена  от  ингибирующего  воздействия  кислорода.  Ведутся  также  интенсивные  исследования  генетики  растений  для  подбора  эффективных  растений-хозяев,  а  также  исследования,  направленные  на  модификацию генома микроорганизмов для получения организмов, способных  существовать в симбиозе не только с бобовыми растениями (например, хлебными злаками). Фундаментальные исследования по переносу генов азотфиксации  в  высшие  растения,  по-видимому,  приведут  к  многообещающим  открытиям и коренному перевороту практики азотного питания растений.

       Второе, весьма важное направление  применения генетической инженерии,  –  придание  культурным  растениям  устойчивости  к  заражению  листогрызущими      насекомыми.      Природные      фитопатогены,     например     бактерии  Bacillus  thuringiensis   (Bt),  синтезирующизирующие  токсины, эффективные           против  листогрызущих насекомых, стали источником генов для придания растениям  устойчивости к этим вредителям. Синтез токсинов Bt контролируется одним  геном,   имеющиеся  методы  позволяют  проводить  работы,  направленные  на  улучшение существующих продуцентов и продуктов Bt. Известно, что гены,  контролирующие  синтез  кристаллов  Bt,  локализованы  на  небольшом  числе  плазмид  значительной  молекулярной  массы.  Токсический  белок,  синтезируемый Bt, клонирован в E. coli и B. subtilis, его экспрессия получена даже в  течение вегетативной фазы роста. Есть сведения о клонировании белка, токсичного для  бабочек,  в  клетках  табака.  В  выросшем  целом  растении  табака  каждая клетка вырабатывала токсин. Таким образом, растение, приобретшее  токсин, само становится устойчивым к насекомым: поедая листья, гусеница  погибает, не причинив существенного вреда растению. 

       Американскими  компаниями  «Монсанто»  и  «Агроцетус»  проведены  полевые  испытания  и  районированы  сорта  хлопчатника,  сои  и  ряда  других  культур с внедренным в хромосому геномом Bt. Резистентность к гусеницам  передается  семенам  и  последующим  поколениям  растений.  Начато  получение рассады трансгенного картофеля и томатов с внедренным геном Bt, токсичного для чешуекрылых. Создан трансгенный инсектоустойчивый тополь с  внедренным  геном  антитрипсиназы  в  клетки  тканей.  Фермент  снижает  усвоение белка насекомыми, что приводит к сокращению популяции.

       Клонированы  гены  устойчивости  к  гербицидам;  их  клонирование    в  растения  призвано  обеспечить  безопасность  применения  ядохимикатов  в  сельском хозяйстве. Однако клонирование  генов в культурные растения сопряжено с определенным риском. Опасения связаны с возможностями выхода  генетических  векторов  и  трансгенных  растений  из-под  контроля  биотехнологов. Поэтому высказываются опасения превращения генно-инженерных  растений  в  сорняки,  хотя  комплекс  «сорняковости»  (комплекс  признаков,  беспечивающих быстрое распространение в ущерб культурным растениям,  устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов, эффективные механизмы рассеивания семян и пр.) едва ли может сформироваться в результате  трансплантации  одного  или  немногих  генов.  В  то же  время  устойчивость  к  гербицидам, кодируемая одним геном, может вызвать существенные проблемы в практике севооборотов. Так, устойчивое к некоторому препарату растение, культивируемое на определенной площади, на следующий год при смене  на этом поле культуры будет выступать по отношению к ней как сорняк, устойчивый  к  данному  гербициду.  Это  предусматривает  необходимость  тщательного тестирования всех генно-инженерных растений перед их переносом  в полевые условия.

       Новый путь модификации генома  –  применение антисмысловых РНК, т.е. подавление синтеза определенного белка. Введение в клетку комплементарного олигонуклеотида  мРНК препятствует считыванию информации. Использование  данной  технологии    позволило  получить  сорт  томатов,  сохраняющихся длительное время за счет блокирования функции гена полигалактуроназы (расщепляет углеводы в клетке, стимулируя созревание), или кофе  с  низким  уровнем  кофеина  в  результате  введения  гена,  подавляющего  продукцию;  т.е.  это  путь  удаления неприятных  горьких  и  прочих  веществ  из  сельскохозяйственной продукции, подавления вирусных инфекций и т.д. 

       Генетическая инженерия животных  направлена  на выведение животных с высокими эксплуатационными свойствами. Методы генетической инженерии совместно с методом клонирования животных позволяют также получать   модели  для  изучения  заболеваний  человека,  процессов  старения  и  формирования  злокачественных  новообразований.  В  будущем  эти  приемы  могут  быть  использованы  для  разработки  новых  лекарственных  средств  и  оценки эффективности таких методов лечения, как генная и клеточная терапии.  Клонирование  животных  также  предоставляет  возможность  спасения  видов, находящихся под угрозой вымирания.

       К биотехнологическим методам репродукции животных относятся ис- кусственное  осеменение,  индукция  родов,  трансплантация,  регулирование  соотношения особей мужского и женского рода в популяции, это также ранняя диагностика беременности, применение гормонов для регулирования репродуктивных функций и роста и пр.

       Искусственное разделение эмбриона  является рутинным методом клонирования.  Метод дает  возможность  получения  большого  числа  копий  животных  от  высокоценных  производителей.  Возможно  получение  большого  числа копий однояйцовых близнецов путем разделения зародышей в стадии  бластулы или морулы на части. Эти части зародыша вводятся в пустые оболочки  яйцеклеток  свиньи,  помещают  в  агаровые  цилиндры  на  несколько  дней, далее вводят в яйцеводы овец. Нормально развившиеся зародыши пересаживают хирургическим путем коровам-реципиентам на 6-7 день полового  цикла.  Выживаемость  у  половинок  составляет до  75  %,  у  четвертинок – ниже, около 40 %. Образующиеся в результате этого эмбрионы внедряются в  матку суррогатной матери, которая обеспечивает их вынашивание и рождение. Так как эмбрионы происходят из одной зиготы, они являются генетически абсолютно идентичными.

       Манипуляции на эмбрионах  используют  для получения эмбрионов различных  животных. Подход позволяет преодолеть межвидовой барьер и создавать   химерных   животных.   Таким  образом   получены,   например,  овце-козлиные  химеры.  Первые  эксперименты  показали  возможность  трансформации генома животных генами человека, в США удалось получить снесущих ген гормона роста человека. В Эдинбургском центре биотехнологии получены овцы с перенесенным фактором 9 человека, который секретируется  в составе молока.

       Новый метод – перенос ядра  соматической клетки  (или перепрограммирование  яйцеклеток) начинается  с  выделения из  организма  соматической  клетки – любой клетки, не участвующей в процессе репродукции (т.е. любой,  кроме  половых  клеток –  сперматозоидов  и  яйцеклеток).  У  млекопитающих  любая   соматическая   клетка   содержит   полный   двойной   набор   хромосом  (в каждой паре одна хромосома получена от материнской яйцеклетки, вторая – от отцовского сперматозоида). Геном любой половой клетки состоит только  из одного хромосомного набора. 

       Для  создания овцы Долли исследователи  переместили ядро  соматической клетки, полученной от взрослой овцы, в яйцеклетку, ядро которой было  предварительно  удалено.  После  проведения определенных  химических  манипуляций яйцеклетка с подмененным ядром начала вести себя как свежеоплодотворенная яйцеклетка. В результате ее деления сформировался эмбрион,  который был имплантирован суррогатной матери и выношен в течение полного  срока  беременности.  Появление  Долли  продемонстрировало  возможность  удаления  генетической  программы  ядра  специализированной  соматической клетки и его перепрограммирования в лабораторных условиях методом помещения в яйцеклетку. 

       В  течение  5-6  дней  яйцеклетка  развивается  в  эмбрион,  генетически  идентичный животному-донору. Клетки  этого эмбриона могут быть использованы  для  получения  любого  типа  ткани,  которая  при  пересадке  не  будет  отторгаться организмом донора ядра. Этот метод вполне может быть использован  для  выращивания  клеток  и  тканей  для  заместительной  терапии.  Данный метод клонирования животных весьма активно используют в настоящее  время.  Совершенствование  биотехнологических  методов  и  средств  диагностики  и  лечения,  возможности  ускоренными  методами  создавать  эффективные  породы сельскохозяйственных животных и сортов культурных растений – все это способствует повышению качества жизни человека. 

       Ощутим  вклад  биотехнологии  в  увеличение  ресурсов  минерального  сырья и энергоносителей, а также в охрану окружающей среды. В связи с по- следним  особо  значимым  становится  направление,  ориентированное  на  освоение экологически чистых новых материалов. Создание экологически чистых  материалов  с  полезными  свойствами  остается  одной  из  ключевых  проблем  современности. К настоящему  моменту  объемы  выпуска  не  разрушаемых в природной среде синтетических пластмасс достигли 180 млн т/год, что  создало глобальную экологическую проблему. Радикальным решением этой  проблемы  является  освоение  полимеров,  способных  биодеградировать  на  безвредные для живой и неживой природы компоненты. В этой связи в  последние  годы  наметился  существенный  прогресс  в  области  синтеза  разрушаемых биополимеров – высокомолекулярных полимерных материалов, способных деградировать в природной среде до безвредных продуктов (диоксида углерода и воды).

Заключение

Численность населения земного шара неуклонно растет - по прогнозам, к 2010 году она составит 11 миллиардов человек. Человечество неумолимо идет к истощению энергетических, минеральных и земельных ресурсов. На первый план в научно-техническом прогрессе выходит биологическая наука. Она развивается стремительно, и в развитых странах многие ее достижения уже нашли свое применение в биологических технологиях. На современном этапе с помощью биотехнологий можно решить экологические проблемы, стоящие перед человеческим обществом в целом.

Биотехнология - высокотехнологична. Сегодня для развития отечественного биотехнологического производства сложились следующие условия: научные кадры, большое количество перспективных разработок, производственный потенциал, растущий спрос на внутреннем рынке. Цивилизация переходит в новую эру - эру биотехнологий. От современной биотехнологии зависит восстановление "испорченной" среды обитания.