Генетическая инженерия

Инсулин состоит из двух полипептидных цепей А и В  длиной 20 и 30 аминокислот. При соединении их дисульфидными связями образуется нативный двухцепочечный инсулин. Было показано, что он не содержит белков Е. coli, эндотоксинов и других примесей, не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него не отличается. Впоследствии в клетках Е. coli был осуществлен синтез проинсулина, для чего на матрице РНК с помощью обратной транскриптазы синтезировали ее ДНК-копию [13].

После очистки полученного  проинсулина его расщепили и  получили нативный инсулин, при этом этапы экстракции и выделения  гормона были сведены к минимуму. Из 1000 литров культуральной жидкости можно получать до 200 граммов гормона, что эквивалентно количеству инсулина, выделяемого из 1600 кг поджелудочной железы свиньи или коровы.

Соматотропин – гормон роста человека, секретируемый гипофизом. Недостаток этого гормона приводит к гипофизарной карликовости. Если вводить соматотропин в дозах 10 мг на кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его недостатка, может подрасти на 6 см. Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4-6 мг соматотропина в пересчете на конечный фармацевтический препарат. Таким образом, доступные количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим способом, был неоднороден и мог содержать медленно развивающиеся вирусы. Компания «Genentec» в 1980 году разработала технологию производства соматотропина с помощью бактерий, который был лишен перечисленных недостатков. В 1982 году гормон роста человека был получен в культуре Е. coli и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР. При производстве интерферона используют как Е. coli, S. cerevisae (дрожжи), так и культуру фибробластов или трансформированных лейкоцитов. Аналогичными методами получают также безопасные и дешевые вакцины [13].

На технологии рекомбинантных ДНК основано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью которых изучают экспрессию генов в тканях, локализацию генов в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (например, у человека и курицы). ДНК-зонды также используются в диагностике различных заболеваний. Технология рекомбинантных ДНК сделала возможным нетрадиционный подход «белок-ген», получивший название «обратная генетика». При таком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный ген, кодирующий измененную форму белка. Полученный ген вводят в клетку. Если он экспрессируется, несущая его клетка и ее потомки будут синтезировать измененный белок. Таким образом, можно исправлять дефектные гены и лечить наследственные заболевания.

Если гибридную ДНК  ввести в оплодотворенное яйцеклетку, могут быть получены трансгенные  организмы, экспрессирующие мутантный  ген и передающие его потомками. Генетическая трансформация животных позволяет установить роль отдельных генов и их белковых продуктов как в регуляции активности других генов, так и при различных патологических процессах. С помощью генетической инженерии созданы линии животных, устойчивых к вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными для человека признаками. Например, микроинъекция рекомбинантной ДНК, содержавшей ген соматотропина быка в зиготу кролика позволила получить трансгенное животное с гиперпродукцией этого гормона. Полученные животные обладали ярко выраженной акромегалией.

Недавно в Национальном институте  исследований растительного генома в Нью-Дели (Индия) вывели генетически модифицированный картофель, в котором содержится на 60% больше белка, чем в обычных клубнях. Помог им в этом ген злакового растения амаранта. По словам ученых, их разработка спасет от белкового голодания не только вегетарианцев [10].

Значительная часть населения  нашей планеты (более миллиарда  человек) не имеет полноценного питания и больше всего страдает от дефицита белка. Как было неоднократно показано в экспериментах на животных и в наблюдениях за людьми, недостаток белка в рационе вызывает задержку физического и умственного развития и может провоцировать серьезные заболевания. Особенно опасно белковое недоедание в раннем возрасте. Организм человека, как и других животных, может синтезировать

только И из 21 аминокислоты, необходимой для синтеза белков тела. Оставшиеся десять – незаменимые  аминокислоты, которые человек должен получать с пищей.

Повышать содержание белка  в пищевых культурах генетики стараются по всему миру. А для  миллионов людей, особенно в развивающихся  странах, основой ежедневного рациона  служит картошка. При всех ее достоинствах в клубнях мало белка. Поэтому  множество научных групп создают  обогащенный белком картофель.

Чтобы повысить содержание белка, ученые перепробовали разные гены, но они не подошли для практического использования. Индийские генетики из Национального института изучения растительного генома (National Institute of Plant Genome Research) получили и изучили трансгенный картофель с встроенным геном AmAl (Amaranth Albumin 1). Этот ген получен из зернового растения амаранта, где он выполняет важную функцию - запасает белок в семенах. Белок AmAl отличается сбалансированностью по аминокислотам, его пищевая ценность была одобрена ВОЗ.

Индийские биологи под  руководством Азизы Датта (Asis Datta) получили трансгенный картофель из семи экономически важных сортов с разным генотипом. Для этого в геном растения перенесли конструкцию из гена AmAl в комплексе с геном, активирующим его. Для переноса традиционно использовали агробактерии. Как показал эксперимент, трансгенные растения картофеля по морфологическим признакам ничем не отличались от обычных [10].

В применении к человеку генная инженерия могла бы применяться  для лечения наследственных болезней. Однако, технически, есть существенная разница между лечением самого пациента и изменением генома его потомков.

Задача изменения генома взрослого человека несколько сложнее, чем выведение новых генноинженерных  пород животных, поскольку в данном случае требуется изменить геном многочисленных клеток уже сформировавшегося организма, а не одной лишь яйцеклетки-зародыша. Для этого предлагается использовать вирусные частицы в качестве вектора. Вирусные частицы способны проникать в значительный процент клеток взрослого человека, встраивая в них свою наследственную информацию; возможно контролируемое размножение вирусных частиц в организме. При этом для уменьшения побочных эффектов учёные стараются избегать внедрения генноинженерных ДНК в клетки половых органов, тем самым избегая воздействия на будущих потомков пациента. Также стоит отметить значительную критику этой технологии в СМИ: разработка генноинженерных вирусов воспринимается многими как угроза для всего человечества.

Хотя и в небольшом  масштабе, генная инженерия уже используется для того, чтобы дать шанс забеременеть женщинам с некоторыми разновидностями бесплодия [3]. Для этого используют яйцеклетки здоровой женщины. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей.

Начиная с 1982 года фирмы США, Японии, Великобритании и других стран  производят генно-инженерный инсулин. Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находится на стадии клинического изучения. Среди них лекарства, излечивающие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, некоторые опухолевые процессы и, возможно, даже СПИД. Среди нескольких сотен генно-инженерных фирм 60% работают над производством лекарственных и диагностических препаратов.

Основные этапы решения  генно-инженерной задачи следующие:

а) получение изолированного гена;

б) введение гена в вектор для переноса в организм;

в) перенос вектора с геном в модифицируемый организм;

г) преобразование клеток организма;

д) отбор генетически модифицированных организмов (ГМО) и устранение тех, которые не были успешно модифицированы.

Процесс синтеза генов  в настоящее время разработан очень хорошо и даже в значительной степени автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабжённые ЭВМ, в памяти которых закладывают  программы синтеза различных нуклеотидных последовательностей. Такой аппарат синтезирует отрезки ДНК длиной до 100-120 азотистых оснований (олигону клеоти ды).

Получила распространение  техника, позволяющая использовать для синтеза ДНК, в том числе  мутантной, полимеразную цепную реакцию. Термостабильный фермент, ДНК-полимераза, используется в ней для матричного синтеза ДНК, в качестве затравки которого применяют искусственно синтезированные кусочки нуклеиновой кислоты – олигонуклеотиды [2].

Фермент обратная транскриптаза  позволяет с использованием таких  затравок (праймеров) синтезировать ДНК на матрице выделенной из клеток РНК. Изолированный, «химически чистый» ген может быть также получен из фаговой библиотеки. Так называется препарат бактериофага, в геном которого встроены случайные фрагменты из генома или к ДНК, воспроизводимые фагом вместе со всей своей ДНК.

Чтобы встроить ген в вектор, используют ферменты – рестриктазы  и лигазы, также являющиеся полезным инструментом генной инженерии. С помощью  рестриктаз ген и вектор можно  разрезать на кусочки. С помощью  лигаз такие кусочки можно  «склеивать», соединять в иной комбинации, конструируя новый ген или заключая его в вектор.

С помощью генотерапии  в будущем возможно изменение  генома человека. В настоящее время эффективные методы изменения генома человека находятся на стадии разработки и испытаний на приматах. Долгое время генетическая инженерия обезьян сталкивалась с серьёзными трудностями, однако в 2009 году эксперименты увенчались успехом: в журнале Nature появилась публикация об успешном применении генноинженерных вирусных векторов для исцеления взрослого самца обезьяны от дальтонизма [5]. В этом же году дал потомство первый генетически модифицированный примат (выращенный из модифицированной яйцеклетки) – игрунка обыкновенная[6].

Учитывая все вышеизложенное, в настоящее время трудно предсказать  все возможности, которые будут  реализованы в ближайшие несколько  десятков лет.

 

Заключение

 

В своей работе я раскрыла тему достижений генной инженерии. Возможности, открываемые генетической инженерией перед человечеством, как в области фундаментальной науки, так и  во многих других областях, весьма велики и нередко даже революционны.

Так, она позволяет осуществлять индустриальное массовое производство нужных белков, значительно облегчает технологические процессы для получения продуктов ферментации, в будущем может применяться для улучшения растений и животных, а также для лечения наследственных болезней человека.

Таким образом я узнала, что генная инженерия, является одним из основных направлений научно-технического прогресса, активно способствует ускорению решения многих задач, таких, как продовольственная, сельскохозяйственная, энергетическая, экологическая.

Так же я узнала, что большие  возможности генная инженерия открывает перед медициной и фармацевтикой, поскольку применение генной инженерии может привести к коренным преобразованиям медицины.

Многие болезни, для которых  в настоящее время не существует адекватных методов диагностики и лечения (раковые, сердечнососудистые, вирусные и паразитные инфекции, нервные и умственные расстройства), с помощью генной инженерии и биотехнологии станут доступны и диагностике, и лечению.

Генная инженерия обладает способностью наделить какой-то живой  организм свойствами, ему нехарактерными, усилить проявление каких-то существующих свойств или исключить их. Это  происходит за счет внедрения новых  или исключения старых генов из ДНК  организма.

Существует мнение, что  в контексте постоянного роста  населения планеты, только генетически модифицированные продукты смогут в будущем спасти мир от голода, позволяя на ограниченной территории выращивать продукты высокого качества, с повышенным содержанием витаминов и т.д. Однако существует и обратное мнение, выступающее за то, что генно-модифицированные продукты могут быть небезопасными для здоровья человека.

 

Список использованной литературы

 

1. Антала Д., Кайгер Дж. Современная генетика. М.: Мир. 2009, Т.1. с. 63-80.

2. Генетическая инженерия // Общество и наука. 2010. №. 3.

3. Патрушев Л. И. Искусственные генетические системы. – М.: Наука, 2004. с. 37.

4. Пеков А. П. Биология и общая генетика. М., 2006. с. 131-139.

5. Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия: учебник – Новосибирск: Сибирское университетское издательство. 2004. С. 40-42.

6. Грин Н. Биология. М.: Мир. 2007

7. Дубинин Н. П. Общая генетика. М.: Наука, 2008, с. 142-169.

8. Кибернштерн Ф., Гены и генетика. М: Параграф, 2005.

9. Ярыгин В. Н. Биология. М., 2007. с. 82-87.

10. www.senav.net/...1913... chudesa-gennoj-inzhenerii.html. Мясная картошка – чудеса генной инженерии: Энциклопедии непознанного.

11. www.ru.wikipedia.org Генетическая инженерия. Википедия

12. ufatimes.ucoz.ru/publ/1-l-O-l. Генная инженерия, враг или друг?

13. buology.narod2.ra/Gennaya_inzheneriya. Генная инженерия. Геном

14. www.t-generation.ru/060_engineering. html. Биотехнологии. Генная инженерия.