Генная инженерия: современный этап, проблемы и перспективы

     Реферат по предмету

     «КОНЦЕПЦИЯ  СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

     Тема: ”Генная инженерия:

     современный этап, проблемы и  перспективы” 
 

     Введение

     Человек давно заметил, что некоторые  признаки проявляются у похожих  организмов по-разному. Он выискивал  растения или животных, которые обладали нужными ему свойствами, и искусственно выращивал их в своем хозяйстве. Для скрещивания и получения  потомства выбирались самые сильные  или самые вкусные — то есть организмы с определенным генотипом. Так появилась селекция. О генах, которые и обуславливают проявление тех или иных свойств, люди не знали  очень долго, однако продолжали скрещивать, выбирать, опять скрещивать и подмечать  закономерности проявления тех или  иных признаков. Традиционная селекция — длительный процесс, на создание одного сорта растения или породы животных многие люди тратят годы и  годы, и зачастую новый сорт лишь незначительно превосходит по качеству предыдущие варианты.

     С развитием генетики и молекулярной биологии появилась возможность  ускорить процесс создания новых  сортов. Изучение ДНК, работы генов, их строения и функций позволило  узнать, какие именно гены контролируют проявление интересных нам признаков. Используя методы генной инженерии, ученые могут управлять некоторыми из них.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Генная  инженерия как часть науки.

     Генная  инженерия не является наукой в широком  смысле, но является инструментом биотехнологии, используя исследования таких биологических  наук, как молекулярная биология, цитология, генетика, микробиология. Самым ярким событием, привлекшим наибольшее внимание и очень важным по своим последствиям, была серия открытий, результатом которых явилось создание методов управления наследственностью живых организмов, причем управления путем проникновения в «святая святых» живой клетки — в ее генетический аппарат.

     Учёные, биохимики и молекулярные биологи  научились модифицировать гены или  создавать совершенно новые, комбинируя гены различных организмов. Они научились  также синтезировать гены, причём точно по заданным схемам. Они научились  вводить такие искусственные  гены в живые организмы и заставили  их там работать. Это было начало генетической инженерии.

     Основа  микробиологической, биосинтетической промышленности — бактериальная  клетка. Необходимые для промышленного  производства клетки подбираются по определённым признакам, самый главный  из которых — способность производить, синтезировать, при этом в максимально  возможных количествах, определённое соединение — аминокислоту или антибиотик, стероидный гормон или органическую кислоту.

     Иногда  надо иметь микроорганизм, способный, например, использовать в качестве «пищи» нефть или сточные воды и перерабатывать их в биомассу или  даже вполне пригодный для кормовых добавок белок. Иногда нужны организмы, способные развиваться при повышенных температурах или в присутствии  веществ, безусловно смертельных для  других видов микроорганизмов. Задача получения таких промышленных штаммов  очень важна, для их видоизменения  и отбора разработаны многочисленные приёмы активного воздействия на клетку — от обработки сильно действующими ядами до радиоактивного облучения.

     Цель  этих приёмов одна — добиться изменения  наследственного, генетического аппарата клетки. Их результат — получение  многочисленных микробов-мутантов, из сотен и тысяч которых учёные потом стараются отобрать наиболее подходящие для той или иной цели. Создание приёмов химического или  радиационного мутагенеза было выдающимся достижением биологии.

     Но  их возможности ограничиваются природой самих микроорганизмов. Они не способны синтезировать ряд ценных веществ, которые накапливаются в растениях, прежде всего в лекарственных  и эфирномасличных. Не могут синтезировать  вещества, очень важные для жизнедеятельности  животных и человека, ряд ферментов, пептидные гормоны, иммунные белки, интерфероны, да и многие более просто устроенные соединения, которые синтезируются  в организмах животных и человека. Разумеется, возможности микроорганизмов  далеко не исчерпаны. Из всего изобилия микроорганизмов использована наукой, и особенно промышленностью, лишь ничтожная  доля.

     Для целей селекции микроорганизмов  большой интерес представляют, например, бактерии анаэробы, способные жить в отсутствие кислорода, фототрофы, использующие энергию света подобно  растениям, хемоавтотрофы, термофильные бактерии, способные жить при температуре, как оказалось недавно, около 110°С, и др.

     И всё же ограниченность «природного  материала» очевидна. Обойти ограничения  пытались и пытаются с помощью  культур клеток и тканей растений. Это очень важный и перспективный  путь. За последние несколько десятилетий  учёные создали методы, благодаря  которым отдельные клетки тканей растения или животного можно  заставить расти и размножаться отдельно от организма, как клетки бактерий.

     Это было важное достижение — полученные культуры клеток используют для экспериментов  и для промышленного получения  некоторых веществ, которые с  помощью бактериальных культур  получить невозможно. Но здесь тоже есть свои трудности, например неспособность  животных клеток в культуре делиться бесконечное число раз, как это  происходит с бактериями.

     Кроме того, получить и выращивать культуры клеток труднее, чем бактериальные  культуры. (Есть и свои преимущества, но о них пойдёт речь дальше, так  как они оказались кстати уже  в новых условиях, когда биотехнология  сформировалась и начала своё самостоятельное  развитие.) И учёные стремились научиться  изменять гены, вводить нужные гены в живой организм, так сказать, «редактировать» книгу природы.

     Около десяти лет назад были сделаны несколько фундаментальных открытий. Был впервые получен изолированный, «химически чистый» ген. Затем были открыты ферменты — рестриктазы и лигазы. С помощью рестриктаз ген можно разрезать на кусочки — нуклеотиды. С помощью лигаз такие кусочки можно «склеивать», соединять в иной комбинации, конструируя новый ген.

     Почти одновременно успешно завершились  многолетние попытки «прочитать»  ту биологическую информацию, которая  «записана» в генах. Эта работа была проделана английским учёным Ф. Сенгером и американским учёным У. Гилбертом. За неё учёные были удостоены Нобелевской  премии по химии (1980). Для Сенгера  эта премия была уже второй; он стал первым химиком, получившим награду дважды; первый раз он был награждён за расшифровку строения белка.

     Как известно, в генах содержится информация-инструкция для синтеза в организме молекул  белков-ферментов. Значит, для того чтобы заставить клетку синтезировать  новые, необычные для неё вещества, надо чтобы в ней синтезировались  соответствующие наборы ферментов. А для этого необходимо или  целенаправленно изменить находящиеся  в ней гены, или ввести в неё  новые гены, чуждые ей. Изменения  генов в живых клетках —  это мутации. Они происходят под  действием, например, мутагенов —  химических ядов или излучений. Но такие изменения нельзя контролировать или направлять. Поэтому учёные сосредоточили усилия на попытках разработать методы введения в клетку новых, совершенно определённых генов, нужных человеку. Для этого, во-первых, необходимо было научиться получать желаемые гены.

     Первоначально такие гены пытались просто выделить из подходящих клеток, но потом оказалось, что, зная их строение, проще получать их синтетически, с помощью отработанных биохимических методик. Во-вторых, необходимо было разработать методику введения гена в клетку. Причем нужно было научиться не просто вводить ген в цитоплазму, а встраивать его в собственную молекулу ДНК клетки, так, чтобы новая информация могла быть «прочитана» биосинтетическим аппаратом клетки, вырабатывающим белки, а также воспроизводящим гены при делении клетки. Осуществление этих двух этапов — получение гена и введение его в клетку — и составляет, собственно, основу той отрасли биотехнологии, которая получила название индустрии ДНК.

     Разработать методику, как первого, так и второго  этапов было невероятно трудно. Однако за очень короткий срок биохимики  научились синтезировать гены. Сейчас процесс синтеза генов разработан очень хорошо и даже автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабжённые ЭВМ, в памяти которых заложены программы  синтеза различных структурных генов. За день такой аппарат синтезирует необходимые отрезки ДНК длиной в 100—120 азотистых оснований (содержащих информацию для синтеза участка полипептидной цепи белка в 30-40 аминокислотных остатков).

     Основные  трудности были связаны с введением  готового гена в наследственный аппарат  клетки. Собственно, именно из-за этих трудностей ещё 15-20 лет назад затеи  с модификацией генетического аппарата считали безнадёжным и даже фантастическим делом.

     Необходимо  было создать общий и воспроизводимый  метод включения кусочков гена в  полный генетический аппарат клетки. При этом новый фрагмент гена должен был быть помещён очень точно  с соблюдением ряда условий, для  того чтобы клетка действительно  начала синтезировать новые ферменты. Надо было также обойти сопротивляемость клетки-хозяина: как правило, все  изменения генетического аппарата воспринимаются клеткой как «ошибки  информации» и исправляются специальными механизмами.

     Однако  в природе наблюдаются случаи, когда чужеродная ДНК (вируса или  бактериофага) включается в генетический аппарат клетки и с помощью ее обменных механизмов начинает синтезировать «свой» белок. Учёные исследовали особенности внедрения чужеродной ДНК и использовали как принцип введения генетического материала в клетку.

     Генная  инженерия в сельском хозяйстве

     К концу 1980-х удалось успешно внедрить новые гены в десятки видов  растений и животных — создать  растения табака со светящимися листьями, томаты, легко переносящие заморозки, кукурузу, устойчивую к воздействию  пестицидов.

     Одна  из важных задач - получение растений, устойчивых к вирусам, так как  в настоящее время не существует других способов борьбы с вирусными  инфекциями сельскохозяйственных культур. Введение в растительные клетки генов  белка оболочки вируса, делает растения устойчивыми к данному вирусу. В настоящее время получены трансгенные  растения, способные противостоять воздействию более десятка различных вирусных инфекций.

     Еще одна задача связана с защитой  растений от насекомых-вредителей. Применение инсектицидов не вполне эффективно, во-первых, из-за их токсичности, во-вторых, потому, что дождевой водой они смываются  с растений. В генно-инженерных лабораториях Бельгии и США были успешно  проведены работы по внедрению в  растительную клетку генов земляной бактерии Bacillus thuringiensis, позволяющих  синтезировать инсектициды бактериального происхождения. Эти гены ввели в  клетки картофеля, томатов и хлопчатника. Трансгенные растения картофеля  и томатов стали устойчивы  к непобедимому колорадскому жуку, растения хлопчатника оказались  устойчивыми к разным насекомым, в том числе к хлопковой  совке. Использование генной инженерии  позволило сократить применение инсектицидов на 40 - 60%.

     Генные  инженеры вывели трансгенные растения с удлиненным сроком созревания плодов. Такие помидоры, например, можно  снимать с куста красными, не боясь, что они перезреют при транспортировке.

     Список  растений, к которым успешно применены  методы генной инженерии, составляет около  пятидесяти видов, включая яблоню, сливу, виноград, капусту, баклажаны, огурец, пшеницу, сою, рис, рожь и много других сельскохозяйственных растений.

     Практическое  применение.

     Теперь  умеют уже синтезировать гены, и с помощью таких синтезированных  генов, введенных в бактерии, получают ряд веществ, в частности гормоны  и интерферон. Их производство составило  важную отрасль биотехнологии.

     Интерферон  – белок, синтезируемый организмом в ответ на вирусную инфекцию, изучают  сейчас как возможное средство лечения  рака и СПИДа. Понадобились бы тысячи литров крови человека, чтобы получить такое количество интерферона, какое  дает всего один литр бактериальной  культуры. Ясно, что выигрыш от массового производства этого вещества очень велик. Очень важную роль играет также получаемый на основе микробиологического синтеза инсулин, необходимый для лечения диабета. Методами генной инженерии удалось создать и ряд вакцин, которые испытываются сейчас для проверки их эффективности против вызывающего СПИД вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). С помощью рекомбинантной ДНК получают в достаточных количествах и человеческий гормон роста, единственное средство лечения редкой детской болезни – гипофизарной карликовости.

     Еще одно перспективное направление  в медицине, связанное с рекомбинантной ДНК, – т.н. генная терапия. В этих работах, которые пока еще не вышли  из экспериментальной стадии, в организм для борьбы с опухолью вводится сконструированная  по методу генной инженерии копия  гена, кодирующего мощный противоопухолевый  фермент. Генную терапию начали применять  также для борьбы с наследственными  нарушениями в иммунной системе.