Содержание
Введение
1 Генная инженерия
1.1 История генной инженерии
1.2 Среда и наследственность
1.3 О влиянии генов на человека
Заключение
Список литературы
ВведениеВажнойсоставной частью биотехнологии является генетическая инженерия. Родившись вначале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы геннойинженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в«фабрики» для масштабного производства любого белка. Это даетвозможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать ихв качестве лекарственных средств.
Генетическаяинженерия (генная инженерия) — совокупность приёмов, методов и технологий получениярекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществленияманипуляций с генами и введения их в другие организмы.
Генетическаяинженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии,используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточнаябиология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.
Наследственность –присущее всем организмам свойство сохранять и передавать потомству характерныедля них признаки, особенности строения, функционирования и индивидуальногоразвития.
Все дело в генах, с завистью говорим мы, объясняя чей-тоблестящий талант: «У них в роду все такие способные!» Все дело в генах, сгоречью говорим мы, видя, как человек страдает от наследственного недуга: «Уних на роду написано болеть!»
Век биологии – век новых сражений за истину.
Одни и те же вопросы, задаваемые уже не первый год, сближаютдушу и тело и тут же непоправимо разделяют их. Неужели гены полностью иизначально программируют нашу жизнь? Неужели мы не способны измениться вообще?Или же наше поведение можно объяснить влиянием внешней среды, умением чему-тоучиться? Итак, может ли человек развиваться, или все предопределено от века?
На протяжении всего XX столетия ученые по-разному отвечалина эти важнейшие вопросы бытия.
За последние десятилетияученые с известной степенью вероятности установили в каких именно хромосомахнаходятся гены, мутация которых вызывает ту или иную болезнь. Однако замена«дефектных» генов на здоровые не только крайне сложна, но и не очень эффективна– одно и то жезаболевание бывает вызвано разными мутациями, из-за чего ход болезни часто неподдается прогнозированию.
Актуальность данной темыобусловлена тем, что за сто лет своего существования генетика добралась дочеловека, и теперь уже она его не оставит. Она нарисует его индивидуальныйгенетический портрет, даст ему в руки миниатюрный прибор, в котором будетсобрана вся его наследственная информация. Каждый получит предупреждение: вкаком возрасте болезнь Альцгеймера приступит к разрушению его памяти, наскольковелик для него риск заболеть раком или диабетом. Генетика порождает новуюмедицину – к этому и стремились сто лет назад ее основатели.
Целью данной работы является изучение генной инженерии.Исследование данной работы предопределило ряд задач:Рассмотреть историю генной инженерии.Проанализировать влияние генов на человека.В качестве теоретическойбазы были использованы работы Ж. Бейсона, А. Волкова и других авторов.
1.Генная инженерия1.1История генной инженерииГеннаяинженерия появилась благодаря работам многих исследователей в разных отрасляхбиохимии и молекулярной генетики. На протяжении многих лет главным классом макромолекулсчитали белки. Существовало даже предположение, что гены имеют белковуюприроду. Лишь в 1944 году Эйвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что носителемнаследственной информации является ДНК. С этого времени начинается интенсивноеизучение нуклеиновых кислот. Спустя десятилетие, в 1953 году Дж. Уотсон и Ф.Крик создали двуспиральную модель ДНК. Именно этот год принято считать годомрождения молекулярной биологии.
Нарубеже 50 — 60-х годов были выяснены свойства генетического кода, а к концу60-х годов его универсальность была подтверждена экспериментально. Шлоинтенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой стали ее вирусы иплазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратовнеповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов. ДНК вирусов и плазмид вводили вклетки в биологически активной форме, обеспечивая ее репликацию и экспрессиюсоответствующих генов. В 70-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующихреакции превращения ДНК. Особая роль в развитии методов генной инженериипринадлежит рестриктазам и ДНК-лигазам.
Историюразвития генетической инженерии можно условно разделить на три этапа. Первыйэтап связан с доказательством принципиальной возможности получениярекомбинантных молекул ДНК in vitro. Эти работы касаются получения гибридовмежду различными плазмидами. Была доказана возможность создания рекомбинантныхмолекул с использованием исходных молекул ДНК из различных видов и штаммовбактерий, их жизнеспособность, стабильность и функционирование. Второй этапсвязан с началом работ по получению рекомбинантных молекул ДНК междухромосомными генами прокариот и различными плазмидами, доказательством ихстабильности и жизнеспособности.
Третийэтап — начало работ по включению в векторные молекулы ДНК (ДНК, используемые дляпереноса генов и способные встраиваться в генетический аппаратклетки-рецепиента) генов эукариот, главным образом, животных. Формально датойрождения генетической инженерии следует считать 1972 год, когда в Стенфордскомуниверситете П. Берг, С. Коэн, Х. Бойер с сотрудниками создали первуюрекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага и E.coli.
Генетическая инженерия — конструирование in vitroфункционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК), или иначе — создание искусственных генетических программ (Баев А. А.). По Э. С. Пирузянгенетическая инженерия — система экспериментальных приемов, позволяющихконструировать лабораторным путем (в пробирке) искусственные генетическиеструктуры в виде так называемых рекомбинантных или гибридных молекул ДНК [12,с.62].
Генетическаяинженерия — получение новых комбинаций генетического материала путем проводимыхвне клетки манипуляций с молекулами нуклеиновых кислот и переноса созданныхконструкций генов в живой организм, в результате которого достигается ихвключение и активность в этом организме и у его потомства. Речь идет онаправленном, по заранее заданной программе конструировании молекулярныхгенетических систем вне организма с последующим введением их в живой организм. Приэтом рекомбинантные ДНК становятся составной частью генетического аппаратарецепиентного организма и сообщают ему новые уникальные генетические,биохимические, а затем и физиологические свойства.
Цельприкладной генетической инженерии заключается в конструировании такихрекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппаратпридавали бы организму свойства, полезные для человека. Например, получение«биологических реакторов» — микроорганизмов, растений и животных, продуцирующихфармакологически значимые для человека вещества, создание сортов растений ипород животных с определёнными ценными для человека признаками. Методы геннойинженерии позволяют провести генетическую паспортизацию, диагностироватьгенетические заболевания, создавать ДНК-вакцины, проводить генотерапиюразличных заболеваний.
Технологиярекомбинантных ДНК использует следующие методы:
· специфическоерасщепление ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее выделение и манипуляциис отдельными генами;
· быстроесеквенирование всех нуклеотидов очищенном фрагменте ДНК, что позволяетопределить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им;
· конструированиерекомбинантной ДНК;
· гибридизациянуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические последовательности РНКили ДНК с большей точностью и чувствительностью, основанную на их способностисвязывать комплементарные последовательности нуклеиновых кислот;
· клонирование ДНК:амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной реакции или введениефрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформациивоспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;
· введениерекомбинантной ДНК в клетки или организмы.
1.2 Среда и наследственность
Излечивая больного, предотвращая распространение инфекционныхзаболеваний, врач использует могучее влияние среды на живой организм. Лечить –это значит так изменить среду, чтобы эти изменения шли на пользу больному,помогая ему бороться с болезнью. В борьбе с инфекциями наука достиглапоразительных результатов. Лечение наследственных или врожденных заболеваний –дело гораздо более трудное. В случае врожденной болезни инфицирующийвозбудитель отсутствует. Нет врага, которого следует уничтожить. Излечимы линаследственные болезни, возможна ли их профилактика? Неужели действительно нетспособов воздействовать извне на наследственный недуг, снять с помощьюлекарства, диеты, лечебной гимнастики, хирургическим путем, наконец, симптомызаболевания?
Благодаря достижениям медицинской цитологии и биологическойхимии ученые начали понимать, в чем жезаключается разница междуздоровым организмом и организмом, отягощенным наследственной болезнью.Разработаны способы ранней диагностики многих наследственных заболеваний инайдены методы их лечения. По отношению к некоторым болезням открыласьвозможность предупредить рождение больных детей или предотвратить у нихразвитие болезни. Успех таился на стыке наук. Стена, отделяющая ученых-биологови врачей-практиков, рухнула. Этот процесс осуществляется одновременно во всеммире. Интерес к законам наследственности со стороны врачей значительно возрос.
Наследственно обусловленные болезни человека привлекают ксебе в настоящее время огромное внимание ученых всех стран. Создаютсяспециальные научные институты для их изучения, периодически созываются
съезды по медицинской генетике, издаются специальные журналы.Эта новая глава медицины развивается быстрым темпом. Современному человечествуудалось в какой-то мере справиться с рядом болезней, таких, как многие инфекции(туберкулез, оспа, тифы, сифилис, малярия и др.) или как многие хирургическиезаболевания, вследствие чего значительно увеличилась средняя продолжительностьжизни современных людей; в то же время в отношении наследственных болезней допоследнего времени почти ничего еще не было сделано. Понятен тот огромныйинтерес, который в настоящее время привлекают к себе эти заболевания [2, с.96].
Совершенствование методов биохимического исследованияпозволило выделить группу заболеваний почек, в развитии которых ведущую рольиграют наследственные факторы. Клинический диагноз этих заболеваний весьмазатруднен, т.к. по течению они напоминают нефритили пиелонефрит; ихпредложено называть нефритоподобными заболеваниями почек (нефропатиями). Важнаяроль при этом принадлежит тщательному изучению семейного анамнеза, составлениюи анализу родословной. Данные лабораторных исследований характеризуютсяотсутствием свойственных нефриту признаков – нет отеков или повышения кровяногодавления.
Успехи в ранней диагностике наследственных заболеваний обменавеществ в период, когда имеются лишь небольшие нарушения и заболевание еще непривело к необратимым морфологическим изменениям, способствуют разработке мерлечебного воздействия. Чаще всего это назначение диеты с исключением продуктов,содержащих вещества, которые не переносятся больным. С этой целью создаютсятакже специальные пищевые продукты. Современные достижения медицинской генетикипозволяют предупредить многие из болезней путем научно обоснованныхмероприятий. Эти вопросы решаются в медико-генетической консультации.
Генетическую основу своего здоровья нужно учитывать именнодля того, чтобы не болеть. Американские медики разработали тест под шуточнымназванием «Доживете ли до семидесяти?». Ученые собрали большой статистическийматериал и сделали выводы относительно влияния некоторых особенностей образажизни и наследственности человека на его долголетие. Оказалось, физический трудв отличие от умственного прибавляет несколько лет жизни. Спорт такжеувеличивает ее продолжительность. Установлено, что лица, занимающиеся спортом 5раз в неделю, живут на четыре года дольше; 2-3 раза в неделю – на два годадольше, чем те, кто игнорирует физические нагрузки или обращается к спорту лишьэпизодически. Как видим, занятия физической культурой благотворно влияют на человека,и людям, занятым умственным трудом, необходимо компенсировать ограничениедвигательной активности. Но вернемся к тесту. Длительный сон (свыше 10 часов всутки) отрицательно влияет на продолжительность жизни, сокращая ее на 4 года посравнению с 7-8-часовым сном, что также объясняется снижением двигательнойактивности, а значит, и ухудшением кровообращения. Тест показал, чтоагрессивные люди вспышками гнева укорачивают свой век, тогда как спокойные –продляют его благодаря собственной уравновешенности. Разница впродолжительности жизни этих двух категорий лиц составляет шесть лет. Напродолжительность жизни отрицательно влияют курение, употребление спиртного,наркотиков, избыточный вес, положительно влияет образование. Среднее удлиняетее на год, а высшее – на два. Образование развивает интеллект и культуру,которые влияют на всю организацию жизни человека.
Статистика свидетельствует, что долголетие бабушек и дедушек(срок жизни не менее 85 лет одного из них или не менее 80 – двух) повышаетшансы внуков на продолжительность жизни, превышающую среднестатистическую.Скоропостижная смерть одного из этих прародителей в возрасте до 50 лет отсосудистых или онкологических заболеваний говорит о необходимости профилактикиназванных болезней у их потомков. Сейчас стало модно рисовать генеалогическоедрево своей семьи. Вполне естественен интерес людей к своей родословной, ктому, чем занимались их прабабушки и прадедушки, участниками каких историческихсобытий они были, как жили. Полезно поинтересоваться и здоровьем родственниковстаршего поколения, так как предрасположенность ко многим заболеваниямпередается по наследству. Например, гипертония, диабет, рак. Другой пример:медики считают алкоголизм болезнью, предупреждая, что склонность кзлоупотреблению спиртным может наследоваться. Что это значит? Говоря бытовымязыком, человек быстрее втягивается в пьянство, быстрее спивается. Этообусловлено особенностями биохимических процессов в его организме. Однакопредрасположенность и предопределенность – понятия разные. Реализациягенетической программы зависит от целого комплекса условий. В рассматриваемомслучае она корректируется соответствующим образом жизни [7, с.46].
1.3 О влиянии генов на человека
Одни и те же вопросы, задаваемые уже не первый год, сближаютдушу и тело и тут же непоправимо разделяют их. Неужели гены полностью иизначально программируют нашу жизнь? Неужели мы не способны измениться вообще?Или же наше поведение можно объяснить влиянием внешней среды, умением чему-тоучиться? Итак, может ли человек развиваться, или все предопределено от века?
На протяжении всего XX столетия ученые по-разному отвечали на эти важнейшие вопросы бытия. Всамом начале века была популярна вульгарная теория наследственности. Вдвадцатые годы маятник качнулся в обратную сторону. Заговорили о теории«бихевиоризма». Внезапно первопричиной всему стала окружающая среда. Самого жечеловека, как утверждали поклонники «новоуча» (вот оно, «время перековки»!),можно научить буквально всему. Человек есть существо перевоспитываемое. Итак,из непокорного материала он прямо на глазах превращался в пластилин,поднесенный к перстам социальных и политических ваятелей. В конце семидесятыхгодов империя биологов нанесла ответный удар. Преемники «теориинаследственности» бросились в новую атаку. Они опирались на поразительныеоткрытия, сделанные генетиками.
Теперь битва велась уже за первооснову человека. Является лион марионеткой собственных генов? Может ли, например, «ген убийцы» определятьагрессивное поведение человека?
Поиски нематериального начала в человеческом естестве – души,духа, сознания, эго – вылились в череду беспрерывных поражений. Новые сведенияо нашей природе поступали одно за другим. В последние годы не проходило имесяца, чтобы не выявлялось: «Ген такой-то ответствен за то-то». Список казалсянеисчерпаемым. Среди десятков других «управделами» отрекомендовались генавантюризма, ген обжорства, ген верности, ген робости, ген алкоголизма. Дажерелигиозность, политические воззрения или социальная позиция якобы передавалисьпо наследству. Со времен иронических пассажей Джонатана Свифта мир не казалсятаким предопределенным, как это явствовало из откровений генетиков.
«За несколько дней до сотворения мира, – говорил он, –определено было, чтобы мой нос и этот столб столкнулись, и поэтому провидениесочло нужным послать нас в мир одновременно и сделать соотечественниками исогражданами. Если бы глаза мои были открыты, то, по всей вероятности, делокончилось бы гораздо хуже. Разве не оступаются ежедневно люди, несмотря на всюсвою предусмотрительность?» («Сказка бочки», пер. А. Франковского). Ретивыегенетики, пожалуй, подправили бы Свифта, сказав, что движением носа, чтошмякнулся о столб, конечно же, руководил «дефектный ген», мешавший индивидудержать нос по ветру и, наоборот, впутывавший его в разные неприглядные истории[3, с.62].
Впрочем, все вышеназванные открытия были сравнительнобезобидными, хотя и сейчас еще немало политических тиранов будут рады истребитьсвоих генетически неисправимых противников как тупиковую эволюционную ветвь,преграждающую дорогу в светлое будущее.
Между тем человек становился все «прозрачнее». Ученыезаявили, что такие наклонности человека, как агрессивность или гомосексуализм,тоже коренятся в наших генах. Подобные открытия провоцировали следующий вывод: генагрессивности управляет поведением человека, в то время как его обладатель ненесет никакой ответственности за совершенные им деяния. «Несчастного хозяинагена» – возьмем самый крайний случай – нельзя даже осудить за убийство. Ген,знаете ли, попутал. Под выстрелами биологов падает бездыханное телоюриспруденции. Оппоненты говорят обратное: мы всегда имеем дело не только сразличными генетическими факторами, но и с окружающим нас миром.
Понятие «окружающий мир» имеет мало общего с привычнымтермином «среда». Как считают генетики, «окружающий мир» не является чем-тонеизбежно-императивным для человека, чем-то вроде клетки, в которую заточенбедняга, «имевший несчастие родиться». Нет, человек сам выбирает, выискиваетсебе свою среду (даже в темном царстве ребенок может плениться лучиком света),воздействует на среду и, в свою очередь, ею же, своей избранницей,переделывается – таким образом, человек и окружающая его среда находятся, таксказать, в «диалоговом режиме»: «Она его заела, он ее достал».
У всех нас есть определенные качества, которые нам не избыть.Можем ли мы повлиять на это или нет – об этом мы узнаем, лишь попытавшись этосделать. Никогда не удастся предсказать, насколько человек способен преступитьсвои генетические задатки. Что же до точного поведения, то новооткрытые геныстали давать слабину.
Пресловутый «ген агрессивности» разделил участь большинствадругих генов, якобы предопределявших поведение человека. Встречали ихфанфарами, провожали короткой усмешкой. Их всемогущая власть опровергаласьболее тщательными научными изысканиями, и неудавшиеся диктаторы человеческойсути бесславно покидали «поле битвы за человека». Отныне «биологическимбонапартам» оставалось лишь будоражить умы менее сведущие, витать средизастольных бесед обывателей, равно взволнованных и экстрасенсами, и«экстрагенами», превращать вульгарную болтовню в подобие научных сентенций,которые можно поверить даже «точным бухгалтерским расчетом».
То же случилось и с геном гомосексуализма. Вопрекиустремлениям и уверениям ученым не удалось отыскать ген, заставляющий мужчинупредпочитать особей своего пола «всем красавицам Шираза». Гены определяютмногое, но не все! [5, с.44].
Нет и не будет найдено никаких особенных генов, отвечающих,например, за интеллект. Исследования показали, что новорожденные дети малоразличаются по своему интеллекту. Все довершает воспитание, заботливое илинебрежное. Дети – при своих-то врожденных способностях – чаще всего бываютименно «запущены» родителями и близкими. Или же они сами «запускают» себя, ленясь,зарывая свой талант, не развивая свои способности. Если б отвергнутый намиодиозный политик проповедовал в своей жизни только одно: «Учиться, учиться иучиться!», цены бы этому лапушке не было. Да и нам тоже, если б мы одного этогозавета и слушались.
Гены решают многое, но не все. Мы уступаем им нашуконституцию, но то, что восстает против всеобщего закона – дух, – становитсядостоянием нашего знания, нашей воли. Да, мы часто идем на поводу у генов. Мынаследуем цвет глаз и окраску волос, форму носа и оттенок кожи. Мы наследуеммногие недуги. Все, с чем мы приходим в жизнь, впрямь заложено в наших генах.Они – инструкция нашей конструкции. (Если точно говорить: наследственностьопределяет норму реакции, норму изменчивости.) Именно они определяют строениеферментов и протеинов, жизненно важных для работы всех клеток нашего организма.И все же, если в генах нет какого-то уж очень серьезного изъяна, любые ихвариации можно как-то компенсировать путем влияния, воздействия окружающих,подражания им.
Заключение
Проделаннаяработа позволяет сделать вывод о том, что на технологии рекомбинантных ДНКосновано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью которых изучаютэкспрессию генов в тканях, локализацию генов в хромосомах, выявляют гены,обладающие родственными функциями (например, у человека и курицы). ДНК-зондытакже используются в диагностике различных заболеваний. Технологиярекомбинантных ДНК сделала возможным нетрадиционный подход«белок-ген», получивший название «обратная генетика». Притаком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируютего, создавая мутантный ген, кодирующий измененную форму белка. Полученный генвводят в клетку. Если он экспрессируется, несущая его клетка и ее потомки будутсинтезировать измененный белок. Таким образом, можно исправлять дефектные геныи лечить наследственные заболевания.
Генетическаятрансформация животных позволяет установить роль отдельных генов и их белковыхпродуктов как в регуляции активности других генов, так и при различных патологическихпроцессах. С помощью генетической инженерии созданы линии животных, устойчивыхк вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными для человекапризнаками. Сейчас, даже трудно предсказать все возможности, которые будутреализованы в ближайшие несколько десятков лет.
Вприменении к человеку генная инженерия могла бы применяться для лечениянаследственных болезней. Однако, технически, есть существенная разница междулечением самого пациента и изменением генома его потомков.
Хотя ив небольшом масштабе, генная инженерия уже используется для того, чтобы датьшанс забеременеть женщинам с некоторыми разновидностями бесплодия. Для этогоиспользуют яйцеклетки здоровой женщины. Ребёнок в результате наследует генотипот одного отца и двух матерей.
Припомощи генной инженерии можно получать потомков с улучшенной внешностью,умственными и физическими способностями, характером и поведением. С помощью генотерапиив будущем возможно улучшение генома и нынеживущих людей. В принципе можносоздавать и более серьёзные изменения, но на пути подобных преобразованийчеловечеству необходимо решить множество этических проблем.
Таким образом,современное состояние науки о наследственности и хромосомных болезнях не даетникаких оснований для безучастного наблюдения над проявлением тяжелыхнаследственных пороков у человека, как это имело место еще недавно. Однакосегодня ученым удалось выяснить только связь между нарушениями хромосомногоаппарата, с одной стороны, с различными патологическими изменениями в организмечеловека – с другой. Касаясь вопроса о завтрашнем дне медицинской генетики,можно сказать, что установление взаимосвязи между наследственными заболеваниямии хромосомными повреждениями представляет для клинической медицины большойпрактический интерес. Выявление причин первоначальных нарушений в системехромосом, а также изучение механизма развития хромосомных болезней – такжезадача ближайшего будущего, причем задача первостепенного значения.
Список литературы
1. Бейсон Ж. Генетика. – М.: Просвещение, 2007. – 128с.
2. Берг Р. Наследственность и наследственные болезничеловека. – М.: Наука, 2007. – 140с.
3. Волков А. В поисках «человекапрозрачного»: Как гены влияют на человека // Знание-сила. – 2006. – № 10.–С.61-63
4. Гайсинович А.Е. Зарождение генетики. – М.: Наука, 2007. –194
5. Голубовский М. И снова: о наследовании приобретенныхпризнаков // Знание-сила. – 2007. – № 8. – С.44-52
6. Дубинин Н.П. Генетика вчера, сегодня и завтра. – М.:Наука, 2008. – 210с.
7. Иванова Л. Забота обокружающей среде – забота о здоровье // Воспитание школьников. – 2008. – № 10.– с.45 — 46
8. Лурия А.Р. О природе психологическихфункций и ее изменчивости в свете генетического анализа // Вопросы психологии.– 2007. – № 4. – С.4-19
9. Сойфер В. Арифметика наследственности. – М., 2007. – 253с.
10. Строганов Ю. Монстры из докторского альбома. // Труд,1996. – 2 апр. С.4.
11. Фишер Э. Дешифровщики наследственности: Об истории идостижениях генетики // ГКО. – 1999. – № 9. – С.131-140
12. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия. – Новосибирск,2006. – 304с.
www.ronl.ru
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…
I. Исторический аспект…
II. Характеристика…
2.1. Какие именно ГМ-растения выращиваются в мире?..
2.2. Какие новые характеристики чаще всего «прививают» растениям посредством генной инженерии?..
2.3. В каких странах выращивают трансгенов?..
2.4. Наиболее впечатляющие достижения…
2.5. Преимущества генной инженерии…
III. Проблемы и перспективы…
3.1.Против генной инженерии…
3.1.1. Экологические риски…
3.1.2. Медицинские риски…
3.1.3. Социально- экономические риски…
3.2. Перспективы генной инженерии…
Заключение…
Библиографический список использованной литературы…
Введение
В данном реферате рассматриваются основные характеристики, проблемы и перспективы такой новейшей технологии, как генная инженерия. В настоящее время эта тема весьма актуальна. На начало 21-го века в мире проживает около 5 млрд. человек. По прогнозам учёных к концу 21-го века население Земли может увеличиться до 10 миллиардов. Как прокормить такое количество людей качественной пищей, если и при 5 миллиардах в некоторых регионах население голодает? Впрочем, даже если бы такой проблемы не существовало, то человечество, для решения других своих проблем, стремилось бы внедрять в сельское хозяйство наиболее производительные биотехнологии. Одной из таких технологий как раз и является генная инженерия.
Для написания реферата производился сбор материала, его обобщение и систематизация, что было весьма затруднительно, потому что в источниках существует много разногласий, много точек зрения. Так как генная инженерия большое развитие получила именно в наши дни, то еще очень мало выпущено книг, посвященных этой теме, и поэтому в работе использовались статьи, найденные в Internet.
I. Исторический аспект
Любое растение или животное имеет тысячи различных признаков. Например, у растений: цвет листьев, величина семян, наличие в плодах определённого витамина и тому подобное. За наличие каждого конкретного признака отвечает определённый ген. Ген — от греческого genos, и переводится как «род», «происхождение». Ген представляет собой маленький отрезочек молекулы ДНК и генерирует или порождает определённый признак растения или животного. Если убрать ген, отвечающий за появление определённого признака, то исчезнет и сам признак. И, наоборот, если добавить, например, растению новый ген, то у растения появится и новый признак. Изменённое же растение может теперь именоваться мутантом (с лат. — изменённый).
А началось все с того, что в 1962 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик совершили одно из величайших открытий XX века, установив молекулярную структуру ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты, из которой и состоят гены) и определив ее роль в передаче наследственной информации. Десятью годами позже группа американских исследователей сообщила о выделении в лаборатории первой гибридной (рекомбинантной) молекулы ДНК – то есть вещества, объединившего в себе гены разных организмов. С этого момента формально и взяла старт генная инженерия. Вживляя ген, «одолженный» у одного растения (или животного) другому, биотехнологи добиваются появления новых видов с определенными заданными свойствами. В 1983 году американцы вывели трансгенный табак, неуязвимый для определенного вида вредителей. И вот тогда начался настоящий бум. Уже через 4 года трансгенные растения, устойчивые к насекомым и гербицидам, поступили в массовую продажу. Кроме того, необыкновенная притягательность трансгенов кроется в том существенном факте, что биотехнологии позволяют выводить новые культуры за 2-3 года. Обычные же методы селекции путем отбора и скрещивания — это 10 и более лет. За эти годы получены, в частности, помидоры и картофель, огурцы и соя, кукуруза, рапс и т.д.
II. Характеристика
На сегодняшний день существует несколько сотен генетически изменённых продуктов. Уже на протяжении нескольких лет их употребляют миллионы людей в большинстве стран мира. Есть данные, что подобными технологиями пользуются для получения продуктов, реализуемых через сеть McDonalds. Многие крупные концерны, типа Unilever, Nestle, Danon и другие используют для производства своих товаров генно-инженерные продукты и экспортируют их во многие страны мира. Но во многих странах такие продукты обязательно должны содержать на упаковке надпись «Сделано из генетически модифицированного продукта».
Некоторые считают, что, внося изменения в генный код растения или животного, учёные делают то же самое, что и сама природа. Абсолютно все живые организмы от бактерии до человека — это результат мутаций и естественного отбора.
Пример. Какое-либо растение выбросило несколько тысяч семян, и они проросли. Среди тысяч появившихся ростков некоторые обязательно будут отличаться от родителя, то есть фактически окажутся мутантами. Если изменения вредны для растения, то оно погибнет, а если полезны, то оно даст более приспособленное и совершенное потомство, и так может образоваться новый вид растения. Но если природе для образования новых видов требуется много сто- или тысячелетий, то учёные производят этот процесс за несколько лет. Какой-то принципиальной же разницы нет.
2.1. Какие именно ГМ-растения выращиваются в мире?
Самые распространенные — соя, кукуруза, масличный рапс и хлопок. В некоторых странах для выращивания одобрены трансгенные помидоры, рис, кабачки. Эксперименты проводятся на подсолнечнике, сахарной свекле, табаке, винограде, деревьях и т. д. В тех странах, где пока нет разрешения на выращивание трансгенов, проводятся полевые испытания.
2.2. Какие новые характеристики чаще всего «прививают» растениям посредством генной инженерии?
Чаще всего культурные растения наделяют устойчивостью к гербицидам, насекомым или вирусам. Устойчивость к гербицидам позволяет «избранному» растению быть невосприимчивым к смертельным для других дозам химикатов. В результате поле очищается от всех лишних растений, то есть сорняков, а культуры, устойчивые или толерантные (терпимые) к гербицидам, выживают. Чаще всего компания, продающая семена подобных растений, предлагает в наборе и соответствующие гербициды. Устойчивая к насекомым флора становится поистине бесстрашной: например, непобедимый колорадский жук, съедая листик картофеля, погибает. Почти все такие растения содержат встроенный ген природного токсина — земляной бактерии Bacillus thuringiensis. Устойчивость к вирусу растение приобретает благодаря встроенному гену, взятому из этого же самого вируса.
2.3. В каких странах выращивают трансгенов?
Основная масса трансгенов культивируется в США, в Канаде, Аргентине, Китае, меньше — в других странах.
Европа же очень озабочена. Под натиском общественности и организаций потребителей, которые хотят знать, что они едят, в некоторых странах введен мораторий на ввоз таких продуктов (Австрия, Франция, Греция, Великобритания, Люксембург). В других принято жесткое требование маркировать генетически измененное продовольствие.
Австрия и Люксембург запретили производство генных мутантов, а греческие фермеры под черными знаменами и с плакатами в руках ворвались на поля в Беотии, в Центральной Греции, и уничтожили плантации, на которых британская фирма «Зенека» экспериментировала с помидорами. 1300 английских школ исключили из своих меню пищу, содержащую трансгенные растения, а Франция очень неохотно и медленно дает одобрение на продажу любых новых продуктов с чужими генами. В ЕС разрешены только три вида генетически измененных растений, а если точнее — три сорта кукурузы.
Соя — пока единственная трансгенная культура, разрешенная к применению в России. На подходе — трансгенный картофель, кукуруза и сахарная свекла.
Если в 1996 году в мире под трансгенными культурами было занято 1,8 миллионов гектаров, то в 1999 году уже почти 40 миллионов. А в 2001 году, по прогнозам, будет не менее 60 миллионов. Это не считая Китая, который не дает официальной информации, но, по оценкам, около миллиона китайских фермеров выращивают трансгенный хлопок примерно на 35 млн. гектаров.
2.4. Наиболее впечатляющие достижения
Первым искусственно изменённым продуктом стал помидор. Его новым свойством стала способность месяцами лежать в недоспелом виде при температуре 12 градусов. Но как только такой помидор помещают в тепло, он за несколько часов становится спелым.
Американские компании Origen Therapeutics и Embrex планируют наладить массовое производство клонированных цыплят. Смысл всей затеи очевиден: тиражирование одной единственной жирной птички, которая мало ест, быстро растет и не болеет, представляется делом необыкновенно выгодным. Исследования, которые проводятся при поддержке Национального института науки и технологий, выделившего на проект 4,7 миллиона долларов, уже дали конкретные результаты. Технология клонирования в своем обычном виде, предполагающая перенос ядра клетки-донора в яйцеклетку с последующей ее имплантацией суррогатной матери, к птицам неприменима, поскольку, как известно, их эмбрионы развиваются не в матке, а в скорлупе. Генетические копии цыплят создаются иным образом. Ученые выделяют и размножают эмбриональные стволовые клетки донора, из которых с ростом эмбриона развиваются все ткани. Затем эти клетки имплантируются в обычное яйцо. Строго говоря, получающийся таким образом цыпленок является не генетической копией, а «химерой», поскольку вместе с донорскими клетками содержит и родные, те, что были в яйце. Однако ученые добились, чтобы донорских клеток было более 95 %, и даже создали 100-процентного клона. Для массового производства таких цыплят планируется использовать специальные машины, способные за час ввести инъекции в 50 тысяч яиц.
Американцы добились изменения клубники, тюльпанов. Вывели сорт картофеля, который при жарке впитывает меньше жира. Они же скоро планируют получить помидоры-гиганты кубической формы, чтобы их было легче упаковывать в ящики. Швейцарцы начали выращивать кукурузу, которая выделяет собственный яд против вредителей.
Был создан «помидор с жабрами» — помидор, в который для увеличения морозоустойчивости вживили ген североамериканской плоской рыбы. Кстати, именно этот гибрид овоща и рыбы получил кличку «завтрак Франкенштейна».
В Московском институте картофелеводства выводится картофель с человеческим интерфероном крови, который повышает иммунитет. А в Институте животноводства получен патент на овцу, у которой в молоке присутствует сычужный фермент, необходимый для производства сыра. Специалисты утверждают, что при новой технологии производства сыра, достаточно будет всего 200 овец, чтобы обеспечить сыром всю Россию.
Сегодня ученые работают над созданием «умных растений», которые могут посылать фермерам сигнал SOS, светиться, когда им не хватает воды или при первых признаках заболевания. Полным ходом идут работы по созданию пластмассы, которая бы разрушалась, попадая в окружающую среду — в масличные культуры вводят гены бактерий, позволяющие выращивать эту биоразлагаемую пластмассу прямо на полях. Недавно американцы заявили, что им удалось добавить в генную структуру обычного хлопка гены растений, цветущих голубым цветом. Появилась реальная возможность революционизировать рынок джинсовой ткани — красильное производство прекратит сброс в окружающую среду ядовитых сточных вод. Эта технология будет запущена в производство в 2005 году.
Эксперименты ведутся и в другой области — области запахов. Некоторые не любят запах роз, считая его слишком приторным, — для таких людей можно выращивать розы, благоухающие лимоном. Можно даже вырастить розу, издающую аромат духов Кельвина Клайна — манипуляции с генами, отвечающими за запах, позволяют вывести растения с любым ароматом.
2.5. Преимущества генной инженерии
1. По заверениям ученых демографов, в ближайшие двадцать лет население земного шара удвоится. Пользуясь современными агрокультурами и агротехнологиями, прокормить такое количество людей будет просто невозможно. Следовательно, уже сейчас пора подумать о том, как с наименьшими потерями поднять урожайность сельхозугодий вдвое. Поскольку для обычной селекции срок в два десятилетия крайне мал, то остается механическая модификация генетического кода растений. Можно, например, добавить ген устойчивости к насекомым-вредителям или сделать растение более плодовитым. Это основной довод трансгенетиков.
2. С помощью генной инженерии можно увеличить в генетически измененной продукции содержание полезных веществ и витаминов по сравнению с «чистыми» сортами. Например, можно «вставить» витамин А в рис, с тем чтобы выращивать его в регионах, где люди испытывают его нехватку.
3. Можно существенно расширить ареалы посева сельхозпродуктов, приспособив их к экстремальным условиям, таким, как засуха и холод.
4. Путем генетической модификации растений можно существенно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами и гербицидами. Ярким примером здесь является уже состоявшееся внедрение в геном кукурузы гена земляной бактерии Bacillus thuringiensis, уже снабжающего растение собственной защитой, так называемым Bt-токсином, и делающего по замыслу генетиков дополнительную обработку бессмысленной.
5. Генетически измененным продуктам могут быть приданы лечебные свойства. Ученым уже удалось создать банан с содержанием анальгина и салат, вырабатывающий вакцину против гепатита B.
6. Еда из генетически измененных растений может быть дешевле и вкуснее.
7. Модифицированные виды помогут решить и некоторые экологические проблемы. Конструируются растения, эффективно поглощающие цинк, кобальт, кадмий, никель и прочие металлы из загрязненных промышленными отходами почв.
8. Генная инженерия позволит улучшить качество жизни, очень вероятно – существенно продлить её; есть надежда найти гены, ответственные за старение организма и реконструировать их.
III. Проблемы и перспективы
Возможность воздействовать на гены позволяет устранять причины наследственных болезней, изменять свойства организмов в нужном направлении, пересаживать гены из одного организма в другой и привносить в него новые признаки. Например, уже создаются новые организмы, сочетающие в себе свойства животных и растений.
Однако довольно сложно определить долговременные последствия генных манипуляций.
3.1.Против генной инженерии
В настоящее время генная инженерия технически несовершенна, так как она не в состоянии управлять процессом встраивания нового гена. Поэтому невозможно предвидеть место встраивания и эффекты добавленного гена. Даже в том случае, если местоположение гена окажется возможным установить после его встраивания в геном, имеющиеся сведения о ДНК очень неполны для того, чтобы предсказать результаты.
В середине 1998 года английский ученый Арпад Пустаи на основании проведенных опытов впервые заявил о том, что употребление подопытными крысами генетически модифицированного картофеля привело к серьезным повреждениям их внутренних органов и иммунной системы. У животных возник целый набор серьезных изменений желудочно-кишечного тракта, печени, зоба, селезенки. Но самое зловещее — уменьшился объем мозга.
Это заявление вызвало противоречивую реакцию научной общественности. С одной стороны, институт, в котором работал Пустаи, заявил, что результаты его исследований являются необъективными.
Однако независимая комиссия, созданная из 20 ученых из разных стран, признала, что выводы Пустаи правильны, а безвредность генетически модифицированных продуктов действительно подлежит существенной переоценке.
Дополнительным подтверждением того, что воздействие генетически измененных продуктов на организм человека и окружающую среду является мало изучено, стало заявление года ученого Джона Лузи.
Так, в мае 1999 года он сообщил о том, что пыльца генетически модифицированной пшеницы, изначально содержащая небольшую долю пестицидов, способна убивать личинок бабочки-данаиды.
В то же время некоторые ученые опять высказали мнение о том, что лабораторные исследования не могут смоделировать условия живой природы, поэтому на них нельзя полностью полагаться.
В ноябре 1999 года для обсуждения результатов исследований Пустаи и Лузи была организована специальная научная конференция, однако ее участникам не удалось выработать общего подхода к этому вопросу.
При этом само существование подобных противоречий свидетельствует, что выведение генетически модифицированных видов растений и животных представляет определенную опасность, обусловленную непредсказуемостью их развития и поведения в естественной среде.
Риски, связанные с применением генной инженерии к продуктам питания, можно разделить на три категории: экологические, медицинские и социально-экономические.
3.1.1. Экологические риски
1. Появление супервредителей.
В сущности, такие уже появились. На Bt-кукурузе и хлопке уже живет коробочный (хлопковый) червь, которому наиболее ценный природный пестицид Bacillus thuringensis (Bt) не приносит вреда. Наивно думать, что вредители на ухищрения ученых не ответят своим контрударом. Как известно, в экстремальных условиях, а процесс вытеснения вредителей устойчивыми к ним растениями иначе как экстремальным не назовешь, скорость мутаций растет, и неизвестно, сколько понадобится насекомым времени для того, чтобы приспособиться к новым условиям окружающей среды. И все пойдет по новой, только на более высоком уровне.
2. Нарушение природного баланса.
Уже доказано, что многие ГМ-растения, такие, как ГМ-табак или технический рис, применяемый для производства пластика и лекарственных веществ, смертельно опасны для живущих на поле или рядом с ним грызунов. Пока эти растения произрастают лишь на опытных полях, а что произойдет после полного вымирания грызунов в районах их массовых засевов — не берется предсказать никто.
Нечто подобное случилось с озером Виктория в 60-х годах прошлого века, когда в него поселили нильского окуня. Попав в благоприятную среду и обладая несомненным преимуществом в силе, выносливости и плодовитости, этот водный житель в считанные годы сократил численность конкурирующих видов в несколько десятков раз, а более двухсот видов уничтожил полностью. А спустя десятилетие выяснилось, что в результате этого «переселения» в прибрежной зоне исчезли леса, берега были размыты, а эрозия почвы достигла невиданных доселе размеров.
3. Выход трансгенов из-под контроля.
На каждую упаковку с семенами генетически модифицированного Bt-хлопка фирмы Monsanto нанесена надпись: «Во Флориде не сажать к югу от Тампы (60-е шоссе). Не для коммерческого использования или продажи на Гавайях». Что заставило руководство этого биотехнологического гиганта так ограничить площади посевов своих культур? Оказывается, на Гавайях весьма распространен дикий родственник хлопка Gossypium tomentosum, а в Южной Флориде — Gossypium hirsutum. Оба считаются в хлопководстве сорняками. Если генетически модифицированный хлопок опылит своего родственника-сорняка, то в результате получится устойчивый к действию пестицидов и гербицидов, не боящийся ни жары, ни холода, не угрызаемый жуками и паразитами и страшно плодовитый суперсорняк. Примерно то же может случиться и со многими другими видами культурных растений, таких, как масленичный рапс, картофель, томаты или бобы. У всех них есть и весьма широко распространены дикие сородичи, являющиеся зачастую одними из главных в силу сходства условий жизни сорняками основной культуры.
Кстати говоря, даже культурный рапс зачастую является сорняком для других культур, но в силу его изнеженности он считается сорняком малозначительным. Генетически модифицированный рапс изнеженным назвать нельзя. Вооруженный мощью современной науки, он даст фору в сто очков по выживанию любой культуре. И пшеничные поля весьма быстро могут превратиться в технические рапсовые. Уже были зафиксированы случаи, когда ГМ-рапс наделил устойчивостью к гербицидам свою сорную родственницу — дикую горчицу. Выход один: следует прикрывать прозрачным колпаком всякие посадки генетически модифицированных растений, чтобы, не дай бог, ни одно семечко, ни одна пылинка не вырвались наружу.
3.1.2. Медицинские риски
1. Повышенная аллергеноопасность.
В марте 1996 года ведущий генный инженер, исследователь Университета штата Небраска, подтвердил: при попытке повысить содержание белка в ГМ-сое в нее вместе с геном бразильского ореха был перенесен аллерген. Причем тестирование животных не выявило опасности. Тестирование ГМ-продуктов на аллергиках не входит в обязательную программу испытаний новых продуктов, а поэтому то, что аллерген был вовремя замечен, можно назвать счастливой случайностью, иначе жизни тысяч человек, не переносящих орехов, оказались бы в настоящей опасности.
По поводу аллергической опасности ГМ-продуктов известный британский ученый, доктор Мэй Ван Хо, сказал: «Нет никаких известных способов предсказать аллергию на ГМ-пищу. Аллергическая реакция обычно возникает спустя некоторое время после появления и развития чувствительности к аллергену».
2. Возможная токсичность и опасность для здоровья.
Британский ученый Арпад Пуштай, назвавший ГМ-продукты “пищей для зомби”, считает, что они наносят колоссальный вред здоровью.
В 1989 году одна из крупнейших японских химических компаний Showa Denko поставила на американский рынок новый ГМ-вариант известной пищевой добавки L-tryptophan. В результате 37 человек погибли, а более 5000 стали инвалидами с потенциально смертельным диагнозом — синдром эозиафильной миалгии (EMS) (неизлечимое и чрезвычайно болезненное заболевание крови). Кроме того, хорошо известно, что проявлений токсичного действия белка можно ждать более тридцати лет, за примером далеко ходить не надо, достаточно вспомнить нашумевшее «коровье бешенство», вызванное именно белком, прионом. Белки, из которых состоят ГМ-продукты, принципиально новые, так как являются гибридами белков растительного и бактериального происхождения. Спрашивается: достаточно ли для выяснения их безопасности установленных сейчас трехлетних испытаний?
Директор Института сельскохозяйственной биологии Владимир Патыка вместе с коллегами из Всероссийского института сельскохозяйственной микробиологии (Санкт-Петербург) и чешскими микробиологами после двадцатилетних исследований пришел к выводу, что «при определенных условиях белок-токсин, если его ввести в ГМ-картофель, может выступить весьма сильным канцерогенным фактором».
3. Устойчивость к действиям антибиотиков.
Для того чтобы понять, «встроился» ли нужный ген в цепочку ДНК, специалисты-генетики снабжают его специальным «флажком». Чаще всего в роли этого «флажка» выступает ген устойчивости к антибиотикам. Если целевая клетка после «опыления» новым геном выдерживает действие этого антибиотика, значит, цель достигнута, и ген успешно внедрен. Проблема состоит в том, что, единожды внедрив этот ген в ДНК, вывести его уже нельзя. В результате возникает двойная опасность. Во-первых, употребление в пищу устойчивых к антибиотикам продуктов неизбежно нейтрализует действие антибиотиков, принимаемых в качестве лекарства. А во-вторых, появление большого количества антибиотикоустойчивых растений может повлечь за собой появление антибиотикоустойчивых бактерий. Нечто подобное уже наблюдалось несколько лет назад в Дании, когда тысячи людей оказались жертвами эпидемии сальмонеллеза, вызванной новым, устойчивым к антибиотикам, штаммом сальмонеллы.
4. Могут возникнуть новые и опасные вирусы. Экспериментально показано, что встроенные в геном гены вирусов могут соединяться с генами инфекционных вирусов. Такие новые вирусы могут быть более агрессивными, чем исходные. Они могут стать также менее видоспецифичными. Например, вирусы растений могут стать вредными для полезных насекомых, животных, а также людей.
3.1.3. Социально- экономические риски
Большинство социальных и экономических угроз, которые несет в себе развитие генной инженерии, подпадают под широкое определение «продовольственной безопасности», то есть способности людей обеспечить свои продовольственные потребности в здоровых, разнообразных и доступных по цене продуктах питания.
При этом сторонники генной инженерии заявляют, что создаваемые с ее помощью продукты могут решить проблему мирового голода. Однако их оппоненты подчеркивают высокую потенциальную опасность сосредоточения генетических технологий в руках частных компаний через патентование определенных жизненных форм, которые могут вытеснить традиционные сельскохозяйственные культуры и породы животных.
Тем не менее всеобъемлющее изучение экономического эффекта от использования генных технологий (в частности, уровня урожайности и количества используемых химических удобрений) были проведены лишь в прошлом году. И результаты довольно противоречивы.
Так, в некоторых случаях урожайность генетических модифицированных культур была заметно ниже, чем у традиционных.
Таким образом, ученые пришли к выводу, что эффективность новых культур также зависит от многих частных факторов, в том числе распространения сорняковых растений и насекомых-паразитов, погодных условий и типа почвы.
При этом лишь незначительная часть продуктов питания из генетически модифицированных сельскохозяйственных культур имеют более высокие питательные свойства. А иногда они оказывают даже отрицательное воздействие, что ставит под сомнение перспективу их распространения.
Одно из самых опасных свойств модифицированных семян — это их «конечная технология». Ученые добились того, что растения, идущие на продажу, стали бесплодными, не способными производить семена. Это означает, что фермеры не могут собрать семена на следующий год, и должны покупать их снова. (А ведь в настоящее время 80% урожаев в развивающихся странах получают из выращенных фермерами семян!) Понятно, что основная цель «конечной технологии» — повысить доходы компании, производящей семена.
Несколько социально-экономических причин, по которым генетически измененные растения считаются опасными:
— они представляют угрозу для выживания миллионов мелких фермеров.
— Они сосредоточат контроль над мировыми пищевыми ресурсами в руках небольшой группы людей. Всего десять компаний могут контролировать 85% глобального агрохимического рынка.
— Они лишат западных потребителей свободы выбора в приобретении продуктов.
3.2. Перспективы генной инженерии
Некоторые особенности новых технологий 21 века могут привести к большим опасностям, чем существующие средства массового уничтожения. Прежде всего, — это способность к саморепликации. Разрушающий и лавинно самовоспроизводящийся объект, специально созданный или случайно оказавшийся вне контроля, может стать средством массового поражения всех или избранных. Для этого не потребуются комплексы заводов, сложная организация и большие ассигнования. Угрозу будет представлять само знание: устройства, изобретённые и изготовленные в единичных экземплярах, могут содержать в себе всё, необходимое для дальнейшего размножения, действия и даже дальнейшей эволюции – изменению своих свойств в заданном направлении. Конечно, выше описаны вероятные, но не гарантированные варианты развития генной инженерии. Успех в этой отрасли науки сможет радикально поднять производительность труда и способствовать решению многих существующих проблем, прежде всего, подъему уровня жизни каждого человека, но, в то же время, и создать новые разрушительные средства.
Заключение
Таким образом, в реферате были рассмотрены основные характеристики генной инженерии: ее преимущества, какие качества «прививают» растениям, где в основном выращиваются ГМ-растения, недостатки генной инженерии, а также ее перспективы.
Библиографический список использованной литературы
1. www.komok.ru/statyi/17-99/grimasi.html
2. www.grani.ru/cloning/articles/perspectives
3. www.rg/vitrina/law/2.shtm
4. polki.boom.ru/referats/bio.html
5. sos.priroda.ru/index.php?act=view&g=2&r=336
6. www.ropnet.ru/mac/ogonyok/win/200138/38-41-41.html
7. tony.donetsk.ua/_ge/zombie.html
8. greenpeace.narod.ru/gening.htm
9. www.rambler.ru/db/news/msg.html?mid=1265826
10.http://fvibionika.ru/ISSUES/0160/Documents/0160_005.htm
www.ronl.ru
Реферат на тему:
Методы генной инженерии
2009
Введение
Современный экспериментатор нередко располагает лишь ничтожными количествами исходных препаратов индивидуального белка или ДНК. Например, в случае биопсии ткани человека или редкого штамма бактерии, плохо поддающейся выращиванию в объеме.
Между тем физические методы исследования требуют, хотя и на порядок величины меньшего количества биологического материала, чем два десятилетия назад, но, все-таки, зачастую во много раз большего, чем имеется в наличии. Кроме того, многие эксперименты имеют поисковый характер, когда необходимо обследовать сотни, если не тысячи, параллельных проб, варьируя условия поиска.
Все это привело к разработке методов многократного и точного воспроизводства структуры индивидуального белка или фрагмента ДНК, например отдельного гена. Ради экономии времени эти методы в значительной степени автоматизированы. Большинство из них используют подходы генной инженерии. Поэтому эта глава будет посвящена знакомству с понятиями и методами этой сравнительно новой области биологической науки.
Рестриктазы
В середине 70-х годов было сделано странное и не сразу понятое во всей своей значительности открытие. Из некоторых бактерий удалось выделить ферменты, обладающие способностью «разрезать» двойную спираль ДНК любого происхождения, т. е. способностью разрывать сахаро-фосфатные цепочки в обеих нитях. Условием такого разрезания оказалось наличие в этой ДНК короткой, но вполне определенной последовательности нуклеотидов (считая по одной из нитей в направлении 51 —3'), так называемого «сайта узнавания» рестриктазы. Этот сайт может насчитывать от 4-х до 8 нуклеотидов. Ошибочно думать, что столь короткие последовательности должны встречаться очень часто. Даже серия из 4-х, наперед заданных нуклеотидов имеет реальный шанс появиться лишь один раз на отрезке ДНК длиной в 44 = 256 пар оснований. Для одной из наиболее часто используемых рестриктаз (EcoRl), сайт которой (ГААТТЦ) насчитывает 6 нуклеотидов, такой шанс появляется в среднем один раз на участке ДНК длиной в 46 = 4 096 пар оснований. Для некоторых рестриктаз (тип I и III) место разреза не однозначно связано с положением сайта узнавания. Такие рестриктазы неудобны для исследовательских целей. У типа II разрез локализован в самом сайте узнавания, что делает эту операцию определенной.
Два последних десятилетия поиск новых рестриктаад производился столь интенсивно, что к концу 1999 года их было найдено и очищено более 2 500. Такое изобилие обусловлено множеством видов бактерий, у которых рестриктазы служат средством защиты от вторжения в них вирусов, чью ДНК они и разрушают/ Для исследовательских целей в настоящее время используют около 300 рестриктаз, которые имеются на рынке биохимических препаратов.
Некоторые из рестриктаз разрезают обе нити ДНК в одном месте, точно ножом. У других — места разреза могут быть сдвинуты на одной нити ДНК относительно другой (в пределах сайта узнавания). В первом случае говорят о «тупых» концах разреза, во втором — о «липких» концах обеих нитей в области разреза. Название «липкие» отражает тот факт, что образующиеся в этом случае на каждой из нитей короткие однонитевые последовательности нуклеотидов, очевидно, комплементарны друг другу и могут, вообще говоря, вновь соединиться водородными связями между основаниями. Хотя это, конечно, не восстановит целостности разрезанного участка ДНК. По крайней мере до тех пор, пока уже знакомый нам фермент ДНК-лигаза не «зашьет» сделанные рестриктазой разрезы на каждой из нитей.
Могущество новообретенного инструмента для исследований было вполне оценено, когда примерно в те же годы было сделано второе важнейшее открытие — существование плазмид у бактерий.
Плазмиды
Было обнаружено, что у многих видов бактерий помимо основной массы ДНК, находящейся в «бактериальной хромосоме» (несколько миллионов пар оснований) имеются еще «крошечные» кольцевые, двунитевые и суперскрученные молекулы ДНК. Они были названы плазмидами — по месту расположения их в протоплазме клетки. Количество пар оснований в плазмидах ограничено диапазоном от 2-х до 20-ти тысяч. Некоторые бактерии имеют только по одной плазмиде. В других — их обнаруживается несколько сотен.
В норме плазмиды редуплицируются при делении бактериальной клетки одновременно с основной ДНК хромосомы. Для своего размножения они используют «хозяйские» ДНК-полимеразы I, III и другие ферменты. Плазмиды синтезируют свои специфические белки, для чего используется РНК-полимераза и рибосомы, также принадлежащие бактерии-хозяину. В числе этих «продуктов деятельности» плазмид иногда оказываются вещества, разрушающие антибиотики (ампимицин, тетрациклин, неомицин и другие). Что придает самой бактерии-хозяину устойчивость против воздействия этих антибиотиков, если она сама по себе таковой устойчивостью не обладает. Мало того. «Самостоятельность» некоторых плазмид простирается до того, что они оказываются способными размножаться в клетке бактерии даже тогда, когда синтез белка в ней (а следовательно, и ее деление) блокированы действием специфических ингибиторов. В этом случае в бактерии может накопиться до 2-3 тысяч плазмид.
Очищенные плазмиды способны проникать из питательной среды внутрь клеток чужеродных бактерий, там обосновываться и нормально размножаться. Правда, для этого приходится предварительно увеличивать проницаемость оболочек этих бактерий, обрабатывая их раствором хлористого кальция.
Успешное встраивание чужой плазмиды удается лишь для ничтожного меньшинства клеток обрабатываемой популяции. Однако если бактерия-реципиент не обладала устойчивостью к определенному антибиотику, а «прижившаяся» плазмида эту устойчивость ей сообщает, то даже из единичных успешно «трансформированных» бактерий на питательной среде с добавкой антибиотика можно вырастить вполне полноценные колонии, наследственно обладающие встроенной плазмидой.
Наконец, самое важное. Если в ДНК плазмиды (до начала трансформации) удастся «встроить» фрагмент вовсе чуждой для нее ДНК (например ген животного происхождения), то этот фрагмент вместе с плазмидой войдет внутрь клетки реципиента, вместе с ней будет размножаться и направлять внутри бактерии синтез «псевдоплазмидных» белков, закодированных в этом гене!
Вспомним теперь с какой скоростью размножаются бактерии в жидкой питательной среде, поддерживая и приумножая при этом синтез плазмидных (а также «псевдоплазмидных»!) белков. Очевидно, что здесь просматривается перспектива наработки большого количества индивидуального белка — продукта деятельности вторгнувшегося («тайком») в бактерию гена. Остается решить проблему встраивания именно избранного гена в плазми-ду. А также и получения первоначально необходимого количества этого самого гена, если отправным пунктом является известная (хотя бы частично) структура интересующего нас белка. Вот тут-то и раскроются уникальные возможности использования рестриктаз.
Но сначала несколько слов о выделении самих плазмид из клеток их нормальных бактерий-хозяев. Это — дело не сложное. Из бактерии можно очистить суммарную ДНК, как это было описано раньше. Потом одним из физических методов отделить низкомолекулярную ДНК плазмид от сравнительно высокомолекулярной ДНК бактериальной хромосомы. Надо только позаботиться о том, чтобы при вскрытии клетки не появились малые обломки основной ДНК. В частности, не следует пользоваться для разрушения оболочек бактерий ультразвуком.
Можно поступить проще. Сферопласты бактерий обработать слабой щелочью + DDC-Na или прокипятить в течение 1 минуты. ДНК бактериальной хромосомы, вместе со связанными с ней белками, денатурируется и выпадает хлопьями в осадок. Ее легко удалить центригурированием. ДНК кольцевых плазмид также сначала денатурируется. Но поскольку ее однонитевые кольца топологически связаны, они разойтись не могут. После восстановления нормальных условий среды ренатурируется и нативная структура плазмид. Они остаются в растворе.
За последние годы выделены и очищены сотни плазмид. Их описание, естественно, начинается с представления полной нуклеотидной последовательности плазмидной ДНК. Современ-ные автоматические «секвенаторы» позволяют расшифровать последовательность 4-х-5-ти тысяч пар нуклеотидов за неделю. В 80-е годы, когда секвенирование ДНК производили вручную, такая работа занимала несколько месяцев.
Подробные данные о каждой новой плазмиде, включая и карту расположения ее собственных генов, заносят в международную «библиотеку плазмид».
Встраивание фрагмента чужеродной ДНК в плазмиду
С помощью библиотеки плазмид можно без труда отыскать такую плазмиду, в ДНК которой имеется (случайно) сайт узнавания для одной из доступных рестриктаз. Для рестриктаз тоже есть своя библиотека и, как уже упоминалось, порядка 300 их видов имеется в продаже. Таким образом у исследователя имеются широкие возможности выбора наиболее удобной комбинации плазмиды и рестриктазы.
Далее разрезают выбранной рестриктазой удобную плазмиду так, чтобы образовалось два «липких» конца. Затем нужно снабдить такими же концами фрагменты встраиваемой ДНК. Хорошо, если по обоим концам этого фрагмента расположатся сайты узнавания выбранной рестриктазы. Но это случай маловероятный. Поступают следующим образом. К собственным окончаниям имеющегося фрагмента ДНК наращивают двунитевые участки искусственных (синтезированных химически) олигонуклеотидов. Заведомо содержащих сайты узнавания выбранной рестриктазы. Затем действием этой самой рестриктазы их превращают в «липкие» концы — в точности соответствующие липким концам плазмиды по обе стороны сделанного в ней разреза. (Рассказать о том как наращивают концы фрагмента ДНК было бы, пожалуй, слишком сложно для нашего курса. Зато я немного позже постараюсь пояснить каким образом синтезируются искусственные олигонук-леотиды с наперед заданной последовательностью пар оснований.)
Итак, далее в буферном растворе смешивают две ДНК, — плазмиды и вставки, — и выдерживают их при оптимальной температуре «гибридизации». Чужеродная ДНК «встраивается» в ДНК плазмиды, хотя и может превышать ее по длине, т. е. достигать размера в несколько тысяч пар оснований. Окончательное слияние, «приживание» новой ДНК, разумеется, обеспечивают ДНК-лигазы.
Я употребил термин «гибридизация». Что он обозначает в данном случае? Условимся называть так образование двухнитевой структуры в результате контакта двух комплементарных однонитевых последовательностей нуклеотидов, типа ДНК-ДНК или ДНК-РНК. Термин «комплементарные» нам уже знаком. Последовательности могут быть одинаковой длины, тогда образуется сплошь двухнитевой «гибрид». А могут быть и существенно различными по длине. В этом случае образуется «участок гибридизации», соответствующий длине более короткого из двух партнеров. Минимальная длина участка гибридизации, при которой он достаточно устойчив, — это 8-10 пар нуклеотидов. Впрочем, для устойчивой гибридизации комплементарных липких концов двух молекул ДНК эту цифру можно уменьшить вдвое, так как двунитевые структуры самих ДНК будут поддерживать новообразованный короткий участок гибридизации.
Может возникнуть вопрос: а почему сама разрезанная плаз-мида не восстанавливает кольцевую структуру путем гибридизации своих собственных липких концов? Ну, во-первых для сравнительно короткой ДНК плазмиды не так-то просто, распрямившись, самопроизвольно снова свернуться в кольцо. Во-вторых, встраиваемый фрагмент ДНК берется в большом избытке с тем, чтобы процесс встраивания в плазмиду имел конкурентное преимущество по отношению к процессу восстановления плазмиды. С этой же целью 5'-фосфатные группы из места разреза плазмиды убирают действием еще одного фермента — «щелочной фосфата-зы». Поначалу достаточно, чтобы соединилась одна пара липких концов, принадлежащих плазмиде и встраиваемой ДНК. Со временем, непременно, благодаря тепловым движениям соединится и вторая пара.
И все-таки поставленный вопрос не напрасен. Полностью избежать «реставрации» пустых плазмид, действительно, не удается. К счастью найден способ различать среди колоний бактерий, выросших на среде с антибиотиком, те, которые приютили « пустую « плазмиду от тех, что получили плазмиды со встроенным фрагментом чужой ДНК. Способ этот очень красив. Идея его такова. Некоторая модификация самой плазмиды позволяет ей в «сотрудничестве» с основным геномом бактерии E.coli в присутствии некоего хромогенного субстрата (похожего на лактозу) синтезировать продукт голубого цвета. В результате на чашке с агаром вырастают голубые колонии бактерий. Вставку же чужеродного фрагмента ДНК производят б таком месте, что плазмида утрачивает способность к «сотрудничеству». В результате чего вырастают колонии белого цвета. Их-то и отбирают, чтобы уже в большом объеме жидкой питательной среды наращивать бактериальную массу с плазмидами и чужеродной ДНК. Таким образом решается задача умножения количества («клонирования») интересующей нас ДНК.
Замечу попутно, что описанным выше способом в плазмиду можно вставить так называемый «поликлоновый сайт». Это — синтезированная химически последовательность в несколько десятков пар нуклеотидов, подобранная таким образом, что в ней содержатся сайты узнавания доброй дюжины различных рестрик-таз. Это существенно расширяет возможности эксперимента.
Некоторые приемы экспериментальной микробиологии
Мне только что пришлось использовать термины: «чашка с агаром», «колонии бактерий». Поскольку специализация в области молекулярной биологии требует понимания методов и хорошего владения приемами микробиологии, следует пояснить о чем идет речь.
Когда для лабораторных нужд наращивают значительное количество бактерий, это делают в больших колбах, наполненных жидкой питательной средой. Такие среды готовят и продают в сухом виде специализирующиеся на этом фирмы. Для сохранения доступа воздуха колбы закрывают ватными тампонами (обернутыми в марлю) и стерилизуют в автоклаве. После «инокуляции» — внесения в них малой порции бактерий колбы выдерживают в «теплой комнате», где поддерживается температура 37°С, в течение ночи. При этом их устанавливают на механической качалке ради улучшения аэрации. За ночь среда становится мутной — такое в ней нарастает количество бактерий. Их нетрудно собрать центрифугированием. В микробиологической промышленности в огромных стальных ферментерах с принудительной аэрацией наращивают тонны (1) бактерий. Затем из них выделяют вещества, используемые в качестве пищевых добавок к корму скота или в фармакологии.
Если же стоит задача отобрать в лаборатории бактерии, отличающиеся определенными свойствами (например, устойчивостью к действию антибиотиков) поступают прямо противоположным образом. Следят за нарастанием потомства единичных бактерий. Для этого используют особое вещество — агар. Его выделяют из определенного вида морских водорослей. Уже смешанный с питательной средой «бакто-агар» поставляется в высушенном виде. Его растворяют в горячей воде, стерилизуют в автоклаве и разливают в стерильные «чашки Петри». Это — круглые, плоскодонные пластмассовые чашки диаметром в 9 и высотой в 1 сантиметр с крышками. Бактоагар застывает в виде очень пористой твердой массы, поры которой заполнены питательным бульоном.
Исследуемую популяцию бактерий многократно разбавляют с таким расчетом, чтобы в 2-3-х миллилитрах суспензии, которые выливают на поверхность агара, содержалось лишь порядка сотни бактерий. Они случайным образом распределяются по поверхности агара. Далее закрытые чашки на 12—14 часов оставляют в теплой комнате. (Перевернув, для того чтобы питательный бульон притекал к поверхности агара.) Каждая бактерия дает многочисленное потомство, которое хорошо видно глазом. Это и есть «колонии» бактерий. Начальное разбавление и время инкубации выбирают так, чтобы колонии не сливались друг с другом.
Остается добавить, что при всех описанных операциях выполняются требования строгой стерильности. Инокуляцию колб с питательной средой, разлив бакто-агара в чашки, разбавление суспензий бактерий и нанесение пробных аликвотов на агар производятся в специальном, так называемом «ламинарном» застекленном шкафу. Через который непрерывно, в направлении из шкафа в комнату прокачивается стерилизованный прохождением через фильтр воздух.
Литература
1 Довгяло О.П., Федоренко Н.М. Ишемическая болезнь сердца. — М.: Медицина, -1986.
2 Долгов В.В. Морфо-функциональная характеристика эндотелия сосудистой стенки в норме и при атеросклерозе. Автореф. Док. дис. — М. -1985.
3 Долгушин И.И., Зурочка А.В., Чукичев А.В., Колесников А.Л. Роль нейтрофилов в регуляции иммунной реактивности и репаративных реакций повреждения ткани. // Вестник Росс. Акад. мед.наук.-2000. N 2. -C.-14-19.
www.ronl.ru
