Терміни й поняття: біотехнологія, генетична (генна) інженерія, клітинна інженерія, химерні організми, гібридизація клітин, клонування
Біотехнологія та перспективи людства. За визнанням багатьох авторитетних учених, XXI ст. повинно стати століттям біотехнології та генетики. Це викликанотим, що застосування біологічних властивостей і процесів у промисловості є більшперспективними, ніж просто використання традиційних способів виробництва, щобазуються на технологіях, розроблених за законами й правилами фізики та хімії. Зазвичай у наш час під терміном «біотехнологія» розуміють різноманітні лабораторні маніпуляції з генетичним апаратом, які спричиняють появу нових клітин, з якихвиростають організми з потрібними властивостями. Однак не потрібно думати, щобіотехнологія — дітище лише сучасної науки. Термін «біотехнологія» запропонував угорський інженер Карл Ерек ще в 1917 р., коли описував процес виробництвасвинини. Отже, це значно ширше поняття, ніж генетична інженерія. Правильнимбуде вважати, що медицина, сільське господарство та харчова промисловість і навіть біологічна зброя — це не що інше, як різноманітні біотехнології. Отже, біотехнологія — це галузь знань, спрямована на використання живих організмів длярозв'язання важливих практичних завдань, що постали перед людством. Ця наукавикористовує знання генетики, екології, молекулярної біології, біохімії, ембріології,клітинної біології, а також прикладних дисциплін — хімічної, фізичної та інформаційної технологій, робототехніки.
Напрями біотехнології. Біологічні процеси завжди використовувалися людиною в практичних та промислових потребах. І це не лише одомашнення, вирощу-
вання чи розведення рослин і тварин, а й виробництво харчових продуктів. Адже випікання хліба, виготовлення кисломолочних продуктів, квасу чи пива, консервація м'яса чи виготовлення ковбаси — це справжні біотехнології, які людство опануваловже тисячі років тому (іл. 59.1).
Іл. 59.1. Випікання хліба (а), виготовлення квасу (б) та консервація м 'яса (в) — дуже давні біотехнології
Більш сучасними напрямами біотехнологій є отримання різних форм біопалива та створення штучного фотосинтезу з метою використання енергії Сонця в потребахлюдини. Дуже важливим напрямом завжди були медицина й охорона здоров'я — цевиготовлення найрізноманітніших ліків, профілактика захворювань, створення вакцин проти нових хвороб та препаратів, що запобігали б алергіям, тощо. Величезнізапити на нові біотехнологічні розробки існують від екологів, адже для очищеннябрудної води використовують бактерії, їжею яким може слугувати нафта, пестицидита інші забруднювачі середовища.
Особливості сучасних біотехнологій. Найсучасніші біотехнології мають певні ознаки, що відрізняють їх від традиційних. Голова відмінність та, що зараз під час створення нових технологій використовують штучно створені організми з новимибіологічними властивостями, які ніколи не існували в природі. Наприклад, створення сортів пшениці з генами бактерій, що дозволяють культурним рослинам бути резистентними до певних комах-шкідників, патогенних грибків або до дії гербіцидів(отрутохімікатів, які знищують бур'яни); створення бактерій з генами, що синтезують людський інсулін. Це можуть бути організми, що складаються з клітин зовсімрізних видів. За допомогою яких методів отримують таких дивовижних істот?
Існують два основні методи: клітинна інженерія — різноманітні дії з клітинами, які мають на меті одержання гібридних, химерних та клонових організмів: генетична, або генна, інженерія — різноманітні прийоми та методи, що дозволяють виводити певні гени з генетичного апарату одних організмів й уводити їх в інші.
Химерні організми. Одним з найбільш відомих напрямів клітинної інженерії є створення біологічних химер. У давньогрецькому міфі Химера (від грец. хімера —молода коза) — істота з левиною головою, козячим тулубом і хвостом дракона.
Зрозуміло, такого монстра породила людська фантазія, однак у біології прижилося таке поняття, як біологічна химера, або химерний організм.
Цей термін застосовують до організмів, що складаються з генетично різнорідних клітин, або, науковою мовою, — із соматичних клітин організмів, що беруть
свій початок від різних зигот (іл. 59.2). Незважаючи на «жахливу» назву, найчастіше химери — це добре відомі всім організми: дика яблуня, на яку прищеплена гілка певного сорту, й прекрасна троянда, щоквітне на корені шипшини. Химерою єяблуня, у крону якої прищеплена гілкагруші.
Крім таких «садових» химер, сучасна наука використовує химери, які отримують у лабораторних умовах.
Для цього за допомогою спеціальних маніпуляцій здійснюють гібридизацію клітин, тобто зливають дві клітини в одну. Це можуть бути як клітини одного виду, так і клітини зовсім різнихвидів, наприклад, людини і миші. Зрозуміло, що такі гібридні клітини практично нежиттєздатні.
Навіщо ж потрібні лабораторні химери? Часто їх використовують для створення нових декоративних рослин.
Крім того, за їх допомогою вивчають клітинні процеси, зокрема роботу генетичного апарату. Саме вони допомагають вивчати генетичні закономірності сумісності тканин під час трансплантації органів. Клітинна інженерія важлива й для вчених, які вивчають причини виникнення та механізм розвитку ракових пухлин.
Штучне клонування. Ще одним з напрямів клітинної інженерії є штучне кло-нування. Цим терміном позначають процес вирощування із соматичних клітин у лабораторних умовах низки генетично тотожних організмів — клону. Результату досягають різними шляхами, однак обов'язково завдяки мікрохірургічній техніці. За допомогою мікроскальпеля вдається легко поділити ембріон ссавця на кілька частину стадії перших поділів дробіння, а потім з кожної частини виростити організм. Цейпроцес насправді є ніщо інше як штучне створення низки монозиготних блюзнюків.Оскільки близнюки, що походять від однієї зиготи є генетично тотожними, то їх цілком правильно називають клоном. Слід зазначити, що ембріони ссавців добре зберігаються за умови наднизьких температур.
Перше штучне клонування серед хребетних тварин було здійснене ще в 50-х роках XX ст. і мало дещо інший вигляд. З метою отримання клону особин з клітин епітелію кишечнику пуголовка жаби озерної вилучали ядра, які потім підсаджували до яйцеклітин, з яких попередньо видаляли ядра. Якщо операція проходила вдало, яйцеклітини починали дробитися й з них розвивалися пуголовки, які в деяких випадках доростали до дорослого стану. Варто зазначити, що більшість таких «гібридних»особин мали значні вади розвитку й досить низьку життєздатність (іл. 59.3).
Здавалося б, подібні маніпуляції з клітинами амфібій, що нині стали звичайними в добре оснащених лабораторіях, можна проводити у значних масштабах, зокрема на ссавцях і людині. Однак більшість подібних спроб дотепер залишаються
марними. Наприклад, у ссавців пересадження ядра епітеліальної клітини в яйцеклітину з наступним розвитком зародка та його успішним народженням виявилися складними процесами, адже генетичний апарат ссавців складніший, ніжв амфібій, а головне — розвиток ембріону ссавців відбувається всередині іншого(материнського) організму.
Однак вважають, що й у справі кло-нування ссавців досягнуто певних успіхів. Найбільш відомим випадком одержання клонового ссавця з ядер соматичної тканини стала вівця Доллі (1966 р., Велика Британія). В експерименті було задіяно277 яйцеклітин, до яких були пересаджені ядра епітелію, вилучені з вим’я самоковець. У такий спосіб було отримано 29ембріонів, один з яких вижив і став дорослою вівцею.
Перші успіхи породили привабливі перспективи. Здавалося, що в такий спосіб можна одержати клон геніального вченого, художника, музиканта і такимчином створити низку геніїв рівня Лео-нардо да Вінчі, «накарбувати» Рафаелівабо Шаляпіних. Але, на жаль, сьогодні такий шлях вирішення проблеми безсмертявиявляється нереальним, а багато вченихвважають, що він принципово неможливий, адже в соматичних клітинах за період їхнього життя накопичується чимало мутацій. Навіть якби сурогатні матерій виносили дітей з клітин геніїв людства,такі нащадки не просто були б мало схожими на своїх геніальних батьків, а, найімовірніше, виявилися б виродками, які б узагалі довго не прожили (що до речі йтрапилося з вівцею Доллі, яка прожила лише 6,5 років).
Іл. 59.3. Клонування зелених жаб:
1 — незапліднене яйце; 2 — ультрафіолетове опромінювання, за допомогою якого знищують ядро; 3 — пуголовок,у якого беруть клітини кишечнику; 4 —клітини кишечнику; 5 — мікропіпетказ ядром клітини кишечнику; 6 — яйце,до якого переносять ядро; 7 — бластула;8 — випадок, коли розвиток не відбувається; 9 — ненормальний розвиток ембріона; 10 — пуголовок, що розвиваєтьсяз нормальної бластули; 11 — жаба
Біотехнології — це галузь людських знань, що спрямована на використання живих організмів для розв’язання важливих практичних завдань, що стоять передлюдством, зокрема збільшення продовольства й зменшення нестачі енергії тамінеральних ресурсів, розробки нових ліків і методів лікування, поліпшення якостінавколишнього середовища.
Сучасні біотехнології базуються на досягненнях генетичної й клітинної інженерії та мають
за мету створення в лабораторних умовах організмів з досі невідомими, однак цінними для людини властивостями.
1. Що таке біотехнологія і які існують напрями її застосування? 2. Чим відрізняються сучасні біотехнології від традиційних? 3. Які організми в біологіїназивають химерами? 4. Що таке клонування? 5. Чому завдяки клонуваннюнеможливо досягти безсмертя людини?
• Чи правильно вважати такі терміни, як «генетична інженерія» і «генна інженерія» повністю тотожними?
Це матеріал з підручника Біологія 9 клас Межжерін