mozok.click » Біологія » Генетична (генна) інженерія. Генетично модифіковані організми
Інформація про новину
  • Переглядів: 2939
  • Автор: admin
  • Дата: 9-12-2017, 04:53
9-12-2017, 04:53

Генетична (генна) інженерія. Генетично модифіковані організми

Категорія: Біологія

Пригадайте методи втручання у спадковий матеріал різних організмів. Чим представлено спадковий матеріал бактерій? Що таке рекомбінації? Які їхні джерела? Що таке геном, плаз-міди, кодон та антикодон? Що таке генна терапія та молекулярна діагностика спадкових захворювань?

Генна (генетична) інженерія. Завданнями генної (генетичної) інженерії є розроблення та вдосконалення методів перебудови геномів організмів видаленням або введенням окремих генів чи їхніх груп. Сучасні біотехно-логічні процеси часто базуються на методах генної інженерії - отриманні рекомбінантних ДНК. Під рекомбі-нантними розуміють молекули ДНК, утворені шляхом об’єднання двох або більшої кількості фрагментів ДНК, виділених з різних джерел (мал. 320).

Як переносники (вектори) рекомбінантних молекул ДНК використовують віруси та плазміди (кільцеві або лінійні молекули ДНК, розташовані в цитоплазмі поза ядерною зоною бактеріальної клітини). З геному, який містить певний ген, виділяють молекулу мРНК, на якій синтезують комплементарну нитку ДНК. Так виникає ДНК-РНК-комплекс, з якого мРНК видаляють, а на нитці ДНК, що залишилася, за принципом комплементар-ності синтезують другу. її вбудовують у молекулу ДНК плазміди, яка слугує переносником.

За іншої методики молекулу ДНК розділяють на окремі фрагменти. Далі ці фрагменти сполучають із заздалегідь переведеною у лінійну форму молекулою векторної ДНК. У такому вигляді вони потрапляють усередину клітини, відділяються від переносника та приєднуються до ДНК хазяїна. Під час перенесення із клітини в клітину еукаріотів метафазних хромосом вони зазвичай розпадаються на фрагменти, одні з яких зникають, інші - вбудовуються в хромосому клітини-хазяїна.

Запам'ятаємо: методика реком-бінантної ДНК пов'язана з перенесенням генетичного матеріалу (молекули нуклеїнової кислоти) з одного організму в інший.



Цікаво знати

У клітини еукаріотів, наприклад рослин, молекули ДНК можна вводити і без переносників, а за допомогою скляної голки (мікроін'єкції ДНК). Молекули ДНК та цілі хромосоми також уводять за допомогою ліпосом. Це оточені подвійним ліпідним шаром порожнисті кульки діаметром близько 100 нм. Молекулу ДНК вміщують усередину ліпосоми, яку потім уводять у клітину. Ліпідний шар захищає ДНК від розкладу ферментами клітини.

Мал. 320. Технологія створення рскомбінантної молекули ДНК: 1 - плазміда, виділена з клітини бактерії; 2 - молекула ДНК, фрагмент якої цікавить дослідників; 3 - дослідники за допомогою ферментів розшивають молекулу ДНК на фрагменти; 4 - за допомогою відповідного ферменту розшивають плазмі-ду; 5-з молекули ДНК за допомогою ферментів виділяють фрагмент; 6 - фрагмент молекули ДНК вставляють у плаз-міду (зверніть увагу, під час вшивання фрагмента ДНК використовують комплементарні кінці цієї молекули та плазміди; знайдіть їх на малюнку); 7 - плазміда із вбудованим фрагментом молекули ДНК

Об’єктами досліджень генної інженерії раніше були переважно прокаріоти. Наприклад, у геном бактерій введено гени пацюка і людини, які відповідають за синтез гормону інсуліну, необхідного хворим на цукровий діабет (мал. 321). Якщо гени еукаріотів просто ввести у прока-ріотичну клітину, то досить складно змусити їх «працювати». Для цього потрібно, щоб ці гени потрапили під контроль регуляторних елементів клітини хазяїна.

Механізми регуляції активності генів у клітинах прокаріотів та еукаріотів відрізняються. Тому під час перенесення генів еукаріотів у клітини прокаріотів потрібно враховувати, що в клітинах еукаріотів кожний структурний ген має власний набір регуляторних елементів, які активуються специфічними сигналами в різні періоди клітинного циклу. Натомість структурні гени прокаріот-них клітин об’єднані у групи, що мають спільні елементи регуляції.

Мал. 321. Перенесення генів у бактеріальну клітину: 1 - людська клітина; 2 - молекула ДНК людської клітини; 3 - клітина бактерії; 4 - бактеріальна плазміда; 5 - ген, який кодує гормон інсулін; 6 - за допомогою ферменту бактеріальну плаз-міду «розшивають»; 7 - за допомогою іншого ферменту вводять ген гормону інсуліну в бактеріальну плазміду, отримуючи рскомбінантну ДНК; 8 - плазміду-перенос ник уводять у клітину бактерії; 9 - під час розмноження бактеріальної клітини відбувається клонування гену інсуліну; 10 - молекули синтезованого інсуліну

Мал. 322. Методика застосування антисенсорної РНК: 1 - ділянка молекули ДНК, яка кодує небажані для організму білки; 2 - молекула мРНК, яка синтезується на цій ділянці молекули ДНК; 3 - антисснсорна молекула РНК; 4 - за принципом компле-мснтарності антисснсорна молекула РНК сполучається із сенсорною; 5 - це блокує біосинтез небажаних для організму білків


У генетичній інженерії застосовують також метод РНК-інтерференцїі - систему контролю активності генів еукаріотичних клітин, що здійснюється за допомогою коротких (20—25 нуклеотидів) молекул РНК. Ці молекули можуть вступати у взаємодію з комплементарними послідовностями мРНК і посилювати або, навпаки, пригнічувати їхню активність. Явище РНК-інтерференції характерне для більшості еукаріотів, воно є своєрідним захисним механізмом від чужорідних генів (наприклад, генів вірусів), які можуть потрапляти в їхній геном. Невелика молекула РНК (мікроРНК) може взаємодіяти з комплементарною ділянкою відповідної мРНК як у ядрі (під час транскрипції), так і в цитоплазмі. У будь-якому разі пригнічується активність певного гена.

Практичне застосування результатів генної інженерії. РНК-інтерференцію можна використовувати в медичній практиці та селекції. Для цього створюють так звані антисенсорні молекули РНК (мал. 322). За складом вони відповідають послідовності нуклеотидів молекули мРНК певної клітини (сенсорна РНК). Припустімо, що така сенсорна РНК кодує шкідливі для організму або небажані для селекціонера білки. Тоді вчені синтезують і вводять у клітину молекулу антисенсорної РНК. Її нуклеотиди зв’язуються з нуклеотидами сенсорної РНК. Це блокує біосинтез білків, закодованих у молекулі сенсорної РНК. Наприклад, застосовуючи антисенсорні технології, можна послабити симптоми ВІЛ-інфекції, коли антисенсорні молекули РНК зв’язують комплементарну мРНК вірусу, що гальмує його розмноження.

Застосування антисенсорної технології має вже певні практичні результати й у селекції рослин. Наприклад,

у помідорів є ферменти, які сприяють їхньому швидкому дозріванню. Але фермерам потрібно, щоб ці овочі достигали поступово, оскільки важко реалізувати значні обсяги продукції за короткий термін. Крім того, один з ферментів прискорює розщеплення полісахариду пектину в клітинних стінках, унаслідок чого плоди швидко псуються. Завдяки введенню в геном помідорів антисен-сорних молекул РНК синтез відповідних ферментів гальмується.

Метод РНК-інтерференції застосовують для з’ясування деяких теоретичних питань під час досліджень з використанням культур клітин або живих організмів. За рахунок синтезованих малих дволанцюгових молекул РНК, які вибірково впливають на активність тих чи інших генів, можна з’ясувати функції цих генів. Молекула мікроРНК після введення пригнічує активність специфічного гена, і за результатами цього процесу вчені роблять висновки щодо його функцій.

Завдяки методам генної інженерії від генетично змінених бактеріальних клітин отримано білки інтерферони (захищають організми людини і тварин від вірусних захворювань, наприклад грипу, пригнічуючи розмноження вірусів), гормон росту (дає можливість лікувати деякі форми карликовості), вакцини проти збудників дифтерії, гепатиту В та ін. (див. мал. 320). Перелік медичних препаратів, отриманих за допомогою методів генної інженерії, щорічно зростає. Наприклад, з використанням різних штамів цвілевих грибів, актиноміцетів, бактерій отримують понад 4500 різних видів антибіотиків.

Слід зазначити, що будь-який ген (відповідний фрагмент ДНК) можна синтезувати хімічним шляхом. Уперше це зробив американський учений Х.Г. Корана (мал. 323), який 1970 р. синтезував ген тРНК дріжджів.

Результати генної інженерії важливі і для розвитку теоретичної біології. Завдяки їм було зроблено важливі відкриття про будову та функціонування генів, структуру геномів та ін. Для генної інженерії важливим є створення банків генів, тобто колекцій генів і геномів різних організмів.

Мал. 323. Хар Гобінд Корана (1922-2011) — відомий учений у галузі молекулярної біології, лауреат Нобелівської премії з фізіології та медицини 1968 р. за розшифрування генетичного коду (разом з Робсртом Холлі та Маріиаллом Нірснбсргом )

Застосування методів генної інженерії в медицині.

Пригадайте: перспективним напрямом у медичній генетиці є генна терапія — медична процедура, під час якої у хворого вилучають певні типи клітин (крові, епітелію шкіри або кишечнику та ін.), замінюють їхні дефектні алельні гени нормальними, а потім вводять в організм. Завдяки цьому в організмі хворої людини можуть синтезуватися білки, яких до цього не вистачало (див. мал. 189).

За певних онкологічних та інфекційних захворювань методами генної терапії можна пригнічувати активність генів, не притаманну нормальній клітині, або посилювати її (наприклад, для збільшення синтезу гемоглобіну у хворих на серпоподібноклітинну анемію; пригадайте, що це за захворювання).

Цікаво знати

Нині на стадії розроблення (Й навіть клінічних випробувань) є кілька сотень проектів, спрямованих на лікування онкологічних, інфекційних (СНІД, гепатит, туберкульоз) та спадкових захворювань,

Ще одним напрямом генної терапії, що ґрунтується на методиках визначення алелів, які зумовлюють певні спадкові захворювання або схильність до них, є молекулярна діагностика спадкових захворювань, про яку ви дізналися з §37. Методи молекулярної діагностики дають можливість поставити діагноз задовго до появи симпто-

мів захворювання і, відповідно, розпочати профілактику або лікування.

Запам'ятаємо: біологічна безпека (біобезпека) - збереження живими організмами своєї біологічної сутності, біологічних якостей та запобігання масштабним втратам біологічної цілісності унаслідок впливу генної або клітинної інженерії на органи, тканини та організми; проникнення в екосистеми невластивих для них видів; забруднення природних ресурсів (ґрунту, води, харчових ресурсів) тощо.

Генетично модифіковані організми. Нині багато уваги приділяють генетично зміненим, або трансгенним, організмам (генетично модифіковані організми - ГМО).

Наприклад, методами генної інженерії в геном рослин уводять певні гени, які забезпечують стійкість до дії пестицидів, шкідників, збудників захворювань, інших несприятливих факторів навколишнього. Зокрема, до геному певних сортів картоплі вбудовано гени бактерій, що робить цю рослину неїстівною для колорадського жука. Генетично модифіковані організми часто мають підвищені показники продуктивності та плодючості, що важливо для розв’язання проблеми забезпечення людства продуктами харчування.

З 1996 р. у СІЛА, Канаді, Аргентині та інших країнах розпочали масово вирощувати генетично змінені рослини. Але до таких організмів, доки вони не пройдуть належної всебічної перевірки, слід ставитись обережно. Є дані, що споживання генетично змінених рослин може спричиняти в людини харчові алергії та отруєння, погіршення здоров’я тощо. Невідомо також, впливатиме чи ні їхнє споживання на генотип людей і як генетично змінені організми впливатимуть на природні екосистеми, їхнє біологічне різноманіття.

Дискусії щодо трансгенних організмів зумовили прийняття в Україні закону «Про державну систему біобезпе-ки під час здійснення генетично-інженерної діяльності». Він передбачає обов’язкову наукову оцінку ризику застосування генетично змінених організмів. В Україні широке вирощування генетично змінених рослин не проводилося, але в різних наукових установах випробовували сорти картоплі, стійкі до колорадського жука, а також озимого ріпака та цукрового буряку — стійких до дії гербіцидів. Невідомо, яку площу земель України фактично засіюють трансгенними культурами, що потрапили до нашої країни незаконно, без будь-яких досліджень чи випробувань.

Процес створення трансгенних тварин складніший, ніж рослин (мал. 324). Фрагмент молекули ДНК іншого виду вводять у запліднену яйцеклітину, яка ділиться у штучних умовах. Так вирощують ембріон до стадії бластули. Потім цей ембріон імплантують у так звану сурогатну матір. Після народження нащадків сурогатною матір’ю їх перевіряють на наявність введених генів, аналізуючи ДНК молекулярно-генетичними методами.


Цікаво знати

Стрімкий розвиток науки, нових високотехнологічних досліджень часто породжує в недостатньо поінформованих людей панічне, або алармістське (від англ. - алармізм -панікерство), ставлення до них. Прикладом алармістських настроїв серед населення різних країн може слугувати ставлення до ГМО, генетичної (генної) терапії тощо. Алар-містські настрої в суспільстві часто підігріваються засобами масової інформації, які поширюють не-підтверджені наукою або взагалі спотворені дані. Сучасна людина має розуміти, що подальший прогрес людства неможливий без стрімкого розвитку нових наукоєм-них технологій.

Мал. 324. Метод отримання трансгенних тварин: 1 - ДНЕ-конструкція; 2 - позаядерна реакція;

З - проядро; 4 - запліднена яйцеклітина; 5 - імплантація; 6 - самка-раципієнт (сурогатна матір); 7 - вагітність; 8 - нстрансгенні нащадки; 9 — трансгснний засновник

У разі підтвердження наявності введених генів у нащадків їх схрещують між собою для отримання чистих тран-сгенних ліній. Така селекція триває досить швидко; наприклад, для створення невеликої групи трансгенних кіз потрібно лише 1,5—2 роки. Одними з перших трансгенних тварин були миші, у геном яких вбудовано ген гормону росту пацюка. Деякі з них швидко росли та досягали велетенських порівняно з контрольними особинами розмірів.

Штучне втручання в геноми, крім технічних труднощів, пов’язане також із проблемами етичного плану. Зміна генотипів організмів, особливо людини, може призвести до непередбачених наслідків незалежно від намірів експериментаторів.

Ключові терміни та поняття:

генна (генетична) інженерія, рекомбінантна ДНК, банк генів, генетично модифіковані організми (ГМО).

Перевірте здобуті знання

1. Які завдання генної інженерії? 2. Які методики генна інженерія використовує в своїх дослідженнях? 3. Що собою становлять ре-комбінантні молекули ДНК? Як їх можна отримати? 4. З якою метою застосовують метод РНК-інтерференції? 5. Що таке генетично модифіковані організми? 6. Які перспективи застосування генетичної інженерії в медицині? 7. Що таке банки генів? З якою метою їх створюють?

Поміркуйте

Яка роль генної інженерії в розвитку теоретичної біології.

Коротко про головне

Завданнями генної (генетичної) інженерії є розроблення та вдосконалення методів перебудови геномів організмів видаленням або введенням окремих генів чи їхніх груп. Сучасні біотех-нологічні процеси часто базуються на методах генної інженерії - отриманні рекомбінантних ДНК.

У генетичній інженерії застосовують також метод РНК-інтерференції - систему контролю активності генів еукаріо-тичних клітин, що здійснюється за допомогою коротких (20-25 нукпеотидів) молекул РНК.

За допомогою методів генної інженерії отримують генетично модифіковані організми (ГМО). Такі організми відкривають широкі перспективи отримання високопродуктивних сортів культурних рослин та порід свійських тварин. Але їхнє широке застосування потребує подальших ретельних досліджень.

 

Це матеріал підручника Біологія 9 клас Остапченко, Балан

 






^