Трансгенные организмы и их применение в фармации и медицине

                                           АО «Медицинский университет Астана»

                                                                      Кафедра биологии

 

 

 

 

 

 

                                                                   СРС

Тема: «Трансгенные организмы и их применение в фармации и медицине»

 

 

 

       Выполнила: студентка Атыгаева Зарина

Факультета  Общая медицина, 143 группа

                                                                         Проверил(а): Карагулова А.К.

              Оценка:

 

 

 

 

 

                                                                      Астана, 2013

                                                               План:

1. Введение.
2. Наследственность на заказ.
3. Создание трансгенного организма. Основы генной инженерии.
4. История генной инженерии.
5. Генетически модифицированные организмы. Трансгенные растения и животные.
6. Свойства трансгенных растений.
7. Трансгенные вакцины.
8. Генная терапия.
9. Заключение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

       Многие, наверное, слышали такие слова как ГМО, трансгенные организмы или просто трансгены. Мы постараемся разобраться, что же это такое и как их получают. Сейчас ученые способны переносить и встраивать гены из геномов одних организмов в геномы любых других организмов, относящихся ко всем царствам живого. Такие организмы со встроенными чужеродными генами и называют генетически модифицированными организмами — ГМО или трансгенными организмами. К настоящему времени уже создано много таких изменённых организмов. Это и бактерии, производящие инсулин, и другие необходимые человеку соединения, и животные, дающие, например, молоко со свойствами грудного женского молока, а также множество растений, которые или устойчивы к каким-то соединениям, например, к гербицидам, или сами вырабатывают какие-то полезные человеку белки, например, вакцины или антитела. ГМО создают с помощью генно-инженерных технологий или генной инженерии. (1)

Наследственность на заказ

      Сходство представителей одного биологического вида между собой объясняется тем, что все они имеют уникальный набор генов, которые определяют врожденные свойства организма: разрез глаз и цвет кожи, количество зубов, тип корневой системы и даже звуки брачной песни. Абсолютно все клетки несут этот набор, вот только участки заложенной информации в них используются разные. Поэтому-то клетки кожи и отличаются от клеток желудка не только внешне, но и функционально.

       Этот  набор записан в виде последовательности  молекул — нуклеотидов, играющих  роль букв генетического текста, полная версия которого называется  геномом. Этих букв всего четыре, и они едины для всех без  исключения живых существ. Вопрос  только в их количестве и  последовательности. К примеру, человеческий  геном состоит примерно из  трех миллиардов букв, которые  складываются в слова — гены. До недавнего времени ученые  полагали, что он содержит до 140 000 таких сочетаний. Сегодня, после  полной расшифровки, выяснилось: «значимых слов» (то есть генов,  реально «отвечающих» за какие-либо  белки) у нас всего 20—25 тысяч  — практически столько же, сколько  у той же мыши.

       Итак, гены  разных видов — это просто  разные тексты на одном и  том же языке. Если ген одного  организма вдруг попадет внутрь  чужой клетки, то ее аппарат  легко считает с него никогда  прежде не виданный белок. Например, пораженная бактериофагом клетка  кишечной палочки усердно штампует  литические ферменты, которые вскоре растворят ее мембрану и превратят буквально в «мокрое место».

Создание трансгенного организма. Основы генной инженерии.

       Как только  подтвердилась вышеописанная «лингвистическая»  идентичность, у генетиков появилась  возможность поиграть в творцов  природы, создающих новые виды, изменяя коды уже существующих. Для этого достаточно вырезать  ген из одного организма и  перенести его внутрь другого,  в одну из хромосом какой-либо  его клетки. Обыкновенный помидор  с геном североамериканской морской  камбалы окажется морозоустойчив, а королевские лилии с геном  пахучей железы скунса станут  источать невообразимое зловоние.

       Впрочем,  конечно, между простой теорией  и практическим воплощением ее  лежит огромная пропасть. На самом  деле задачка эта повышенной  сложности. Ведь каждая «буква»  генетического текста состоит  всего из нескольких атомов. Объект  такого размера нельзя увидеть ни под каким оптическим микроскопом. Он намного короче световой волны. А надо сделать так, чтобы он попал в нужное время в «считывающее устройство» (ведь клетка до сих пор не вполне понятным для ученых образом сама выбирает себе гены для считывания в каждый данный момент)! На одно лишь выстраивание алгоритма, позволяющего хотя бы подступиться к этому «конструктору», у молекулярной биологии ушло почти двадцать лет…

       Создание  трансгенного организма происходит в несколько этапов. Для начала нужно с совершенной точностью определить «донорский» ген, который заставит новый организм выполнять несвойственные ему до момента «операции» функции. Скажем, нас интересует синтез какого-нибудь вещества. Если это белок — нужно выделить и очистить его самого. Если же это сравнительно простое вещество (скажем, глутамат, придающий супам быстрого приготовления их неповторимый устойчивый вкус) — нужно выделить и очистить фермент, который его образует. Затем следует определить его аминокислотную последовательность, «вычислить» по ней последовательность нуклеотидов в соответствующем гене (это опять-таки непросто: одну аминокислоту могут кодировать несколько сочетаний нуклеотидов) и, наконец, найти нужный ген. Теперь его надо вырезать и встроить в другую молекулу ДНК, способную обеспечить жизнеспособность «переселенца» в чужеродном окружении. При положительном результате подобных манипуляций в клетке начинает синтезироваться новый белок, что и приводит к появлению у организма новых свойств. Вот, собственно, и все основы генной инженерии.

       Впрочем,  множество генов было идентифицировано  еще до возникновения трансгеники. И за 30 с лишним лет научных и практических изысканий поиск соответствия между интересующим разработчика продуктом и ответственным за него геном значительно упростился. Задачу расшифровки нуклеотидной последовательности нужного гена, за решение которой в 70-е годы давали нобелевские премии, сегодня выполняет машина — автоматический секвенатор. За один рабочий день он может расшифровать до 800 тысяч молекул ДНК.

История генной инженерии

1944 — Эйвери, Мак-Леод и МакКарти показали, что «вещество наследственности» — это ДНК

1953 — Джеймс Уотсон  и Фрэнсис Крик определили структуру молекулы ДНК — двойную спираль

1961—1966 — расшифрован генетический  код — принцип записи в ДНК  и РНК последовательности аминокислот  в белках 

1970 — выделена первая  рестриктаза

1973 — Гобинд Корана синтезировал полноразмерный ген; Герберт Бойер и Стэнли Коэн предложили стратегию создания рекомбинантных ДНК

1976—1977 — разработаны методы  определения нуклеотидных последовательностей  (секвенирования) любых ДНК

1978 — фирма Genentech выпустила рекомбинантный инсулин, производимый человеческим геном, введенным в бактериальную клетку

1980 — Верховный суд  США вынес вердикт о законности  патентования трансгенных микроорганизмов

1981 — поступили в продажу  автоматические синтезаторы ДНК  1982 — в США впервые поданы  заявки на проведение полевых  испытаний трансгенных организмов; в Европе разрешена первая вакцина для животных, полученная методами генной инженерии

1983 — для трансформации  растений применены гибридные  Ti-плазмиды; компания Monsanto начала создание трансгенных растений

1985—1988 — разработан метод  полимеразной цепной реакции (ПЦР)

1988 — в США утвержден  план испытаний генной терапии  с использованием человеческих  клеток; официально начаты работы  над всемирным проектом «Геном  человека» 

1994 — получено первое  разрешение на возделывание трансгенного растения (помидора сорта FlavrSavr)

1996 — началось массовое  выращивание трансгенных растений

1998 — Европейский союз  ввел мораторий на регистрацию  новых ГМ-культур, действовавший до 2002 года

2000 — принят Картахенский протокол по биобезопасности (вступил в силу в 2003 году), установивший наиболее общие международные нормы обращения с трансгенными организмами

2003 — опубликована предварительная  генетическая карта человека, что  ознаменовало формальное завершение  проекта «Геном человека». Были  секвенированы фрагменты генома, содержащие 99% генов человека

2006 — ученые, работающие  над расшифровкой генома человека, опубликовали полную генетическую  карту хромосомы 1, которая была  последней из не полностью  секвенированных хромосом

Генетически модифицированные организмы. Трансгенные растения и животные.

       Сегодня  в разных лабораториях мира  «собрано» уже огромное количество  генетически модифицированных организмов (ГМО) с самыми разными признаками. Некоторые из них выглядят  просто живыми курьезами, шуткой  экспериментатора. Скажем, если светящиеся  орхидеи сингапурца Чья Тет Фатта привлекают внимание своей красотой (правда, в основном на фотографиях — увидеть их свечение простым глазом почти невозможно), то трансгенные поросята американского профессора Рэнди Пратера со светящимися же пятачками и копытцами откровенно смешны — хотя и те, и другие создавались во вполне практических целях: блеск маркировал те ткани, где работал пересаженный участок ДНК. Примерно из таких же соображений были «выведены» зеленые мыши и обезьянки, картошка «полей меня!», начинающая сверкать при нехватке влаги и в иных стрессовых для растения ситуациях, а также многие другие странные организмы. Кажется, только флуоресцирующая зеленым светом крольчиха Альба была «придумана» бразильским художником Эдуарду Кацем как чисто художественное произведение. Все остальные служат инструментами для добычи новых знаний. Они помогают ученым понять, как организм управляет генами и как сам ген узнает, когда ему начинать и когда прекращать работу.

       Разумеется, для того, чтобы стать средством  научного поиска, ГМ-организму не обязательно светиться. Более того, самый мощный вклад в исследования последних лет внесли существа, отличающиеся от нормальных сородичей не лишними, а, наоборот, недостающими генами. Технологии генной инженерии позволяют не только пересадить зародышу чужой ген, но и избирательно вырезать или лишить активности его собственный, причем вполне определенный. Такие животные получили название «нокаутных». Понятно, что метод «нокаутирования» позволяет прямо выяснять функции выбитой «детали», ее роль в тех или иных физиологических процессах. Особенным успехом у современных экспериментаторов пользуются «нокаутные» мыши, сыгравшие в функциональной генетике примерно ту же роль, что мушки-дрозофилы в генетике классической. Из всех быстро размножающихся и хорошо изученных животных мышь ближе всего к человеку: подавляющее большинство наших генов есть и у нее. Так вот, «нокаутные» мыши позволили нащупать молекулярные механизмы огромного числа нормальных и патологических процессов — от запоминания и поведения до канцерогенеза и старения. Последовательные «отключения» одного гена за другим позволили ученым поставить вопрос о «минимальном геноме»: каков критический набор генов, позволяющий тому или иному существу жить и выполнять свои функции?

       Некоторые  специалисты, правда, критиковали  исследования на «нокаутных» животных, справедливо напоминая, что организм — система гибкая. Развиваясь без «штатного» гена, он может обеспечить необходимые ему функции другими путями, а мы, наблюдая результат, сочтем, что данный ген для данной функции не нужен. Ответом на эти замечания стало усовершенствование техники «нокаутирования»: теперь она позволяет выключать исследуемый участок молекулы ДНК уже у взрослого организма, причем временно или только в определенных тканях. Впрочем, такие организмы, строго говоря, уже нельзя назвать трансгенными.

       «Ножницами»,  разрезающими нить ДНК по строго  определенному сочетанию букв-нуклеотидов,  служат обычно специальные ферменты-рестриктазы. Среди нарезанных ими кусочков есть и такие, которые содержат нужный ген целиком, причем если и будут в тексте лишние буквы, их можно убрать экзонуклеазами — ферментами, откусывающими по одному нуклеотиду с конца нити ДНК. Но хотя этот метод выкраивания гена сам по себе достаточно удобен, в последнее время чаще применяют способ копирования нужного участка, который называется полимеразной цепной реакцией. Достаточно маленького кусочка ДНК, соответствующего началу искомого гена, чтобы фермент полимеразы нашел и снял копию с гена, начинающегося этим фрагментом. После того как копия будет готова, полимеразы примутся снимать дальнейшие «оттиски» и с нее, и с участка, послужившего для нее образцом. Работа продолжится до тех пор, пока не исчерпается запас свободных нуклеотидов. Это выглядит примерно так, как если бы в томике стихов «рассыпали» в беспорядке печатные буквы, а также клочок бумаги с единственной строкой — и через короткое время получили бы несколько сот экземпляров полного текста стихотворения.

       Чтобы  доставить нужный ген внутрь  чужой клетки, обычно используют  природных переносчиков генетической  информации — вирусы и плазмиды. Последние представляют собой небольшие кольцевые молекулы ДНК, существующие в бактериальных клетках отдельно от основного генома. Они могут проникать из одной клетки в другую и служат бактериям чем-то вроде почтовых голубей, позволяя им передавать друг другу полезные признаки.

       Особенно  удобны так называемые Ti-плазмиды, получаемые из микроорганизма агробактерии Agrobacterium tumifaciens, поражающей стебли и листья некоторых растений. Для биологов агрессивная активность Ti-плазмид особенно ценна именно тем, что они умеют не просто доставлять нужные гены в растительную клетку, но и встраивать их внутрь ее родных хромосом, вследствие чего клетки реципиента начинают бурно делиться, превращаясь в разрастание рыхлой ткани, а также вырабатывать вещества, которыми и питаются агробактерии (для прочих почвенных микроорганизмов они несъедобны).