Успехи генной инженерии и экологии

Введение

Важной составной частью биотехнологии  является генетическая инженерия. Родившись  в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих  в "фабрики" для масштабного  производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать  структуру и функции белков и  использовать их в качестве лекарственных  средств.

Генетическая инженерия (генная инженерия) — совокупность приёмов, методов  и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.

Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя  методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная  биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.

Наследственность – присущее всем организмам свойство сохранять и  передавать потомству характерные  для них признаки, особенности  строения, функционирования и индивидуального  развития.

Все дело в генах, с завистью говорим  мы, объясняя чей-то блестящий талант: «У них в роду все такие способные!»  Все дело в генах, с горечью  говорим мы, видя, как человек  страдает от наследственного недуга: «У них на роду написано болеть!»

Век биологии – век новых сражений за истину.

Одни и те же вопросы, задаваемые уже не первый год, сближают душу и  тело и тут же непоправимо разделяют  их. Неужели гены полностью и изначально программируют нашу жизнь? Неужели  мы не способны измениться вообще? Или  же наше поведение можно объяснить  влиянием внешней среды, умением  чему-то учиться? Итак, может ли человек  развиваться, или все предопределено от века?

На протяжении всего XX столетия ученые по-разному отвечали на эти важнейшие  вопросы бытия.

За последние десятилетия ученые с известной степенью вероятности  установили в каких именно хромосомах находятся 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 же заболевание бывает вызвано разными мутациями, из-за чего ход болезни часто не поддается прогнозированию.

Актуальность данной темы обусловлена  тем, что за сто лет своего существования  генетика добралась до человека, и  теперь уже она его не оставит. Она нарисует его индивидуальный генетический портрет, даст ему в  руки миниатюрный прибор, в котором  будет собрана вся его наследственная информация. Каждый получит предупреждение: в каком возрасте болезнь Альцгеймера приступит к разрушению его памяти, насколько велик для него риск заболеть раком или диабетом. Генетика порождает новую медицину – 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 теоретической базы были использованы работы Ж. Бейсона, А. Волкова и других авторов.

1. Генная инженерия

1.1 История генной инженерии

Генная инженерия появилась  благодаря работам многих исследователей в разных отраслях биохимии и молекулярной генетики. На протяжении многих лет  главным классом макромолекул считали  белки. Существовало даже предположение, что гены имеют белковую природу. Лишь в 1944 году Эйвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что носителем наследственной информации является ДНК. С этого времени начинается интенсивное изучение нуклеиновых кислот. Спустя десятилетие, в 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали двуспиральную модель ДНК. Именно этот год принято считать годом рождения молекулярной биологии.

На рубеже 50 - 60-х годов были выяснены свойства генетического кода, а к  концу 60-х годов его универсальность  была подтверждена экспериментально. Шло интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой стали  ее вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов. ДНК вирусов и плазмид вводили в клетки в биологически активной форме, обеспечивая ее репликацию и экспрессию соответствующих генов. В 70-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК. Особая роль в развитии методов генной инженерии принадлежит рестриктазам и ДНК-лигазам.

Историю развития генетической инженерии  можно условно разделить на три  этапа. Первый этап связан с доказательством  принципиальной возможности получения  рекомбинантных молекул ДНК in vitro. Эти работы касаются получения гибридов между различными плазмидами. Была доказана возможность создания рекомбинантных молекул с использованием исходных молекул ДНК из различных видов и штаммов бактерий, их жизнеспособность, стабильность и функционирование. Второй этап связан с началом работ по получению рекомбинантных молекул ДНК между хромосомными генами прокариот и различными плазмидами, доказательством их стабильности и жизнеспособности.

Третий этап - начало работ по включению  в векторные молекулы ДНК (ДНК, используемые для переноса генов и способные  встраиваться в генетический аппарат  клетки-рецепиента) генов эукариот, главным образом, животных. Формально датой рождения генетической инженерии следует считать 1972 год, когда в Стенфордском университете П. Берг, С. Коэн, Х. Бойер с сотрудниками создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага и E. coli.

Генетическая инженерия - конструирование  in vitro функционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК), или иначе - создание искусственных генетических программ (Баев А. А.). По Э. С. Пирузян генетическая инженерия - система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать лабораторным путем (в пробирке) искусственные генетические структуры в виде так называемых рекомбинантных или гибридных молекул ДНК [12, с.62].

Генетическая инженерия - получение  новых комбинаций генетического  материала путем проводимых вне  клетки манипуляций с молекулами нуклеиновых кислот и переноса созданных  конструкций генов в живой  организм, в результате которого достигается  их включение и активность в этом организме и у его потомства. Речь идет о направленном, по заранее  заданной программе конструировании молекулярных генетических систем вне организма с последующим введением их в живой организм. При этом рекомбинантные ДНК становятся составной частью генетического аппарата рецепиентного организма и сообщают ему новые уникальные генетические, биохимические, а затем и физиологические свойства.

Цель прикладной генетической инженерии  заключается в конструировании  таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека. Например, получение «биологических реакторов» - микроорганизмов, растений и животных, продуцирующих фармакологически значимые для человека вещества, создание сортов растений и пород животных с определёнными ценными для человека признаками. Методы генной инженерии позволяют провести генетическую паспортизацию, диагностировать генетические заболевания, создавать ДНК-вакцины, проводить генотерапию различных заболеваний.

Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:

·  специфическое расщепление  ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами;

·  быстрое секвенирование всех нуклеотидов очищенном фрагменте ДНК, что позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им;

·  конструирование рекомбинантной ДНК;

·  гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические  последовательности РНК или ДНК  с большей точностью и чувствительностью, основанную на их способности связывать  комплементарные последовательности нуклеиновых кислот;

·  клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;

·  введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы.

1.2 Среда и наследственность

Излечивая больного, предотвращая распространение  инфекционных заболеваний, 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 достигла поразительных  результатов. Лечение наследственных или врожденных заболеваний –  дело гораздо более трудное. В  случае врожденной болезни инфицирующий возбудитель отсутствует. Нет врага, которого следует уничтожить. Излечимы ли наследственные болезни, возможна ли их профилактика? Неужели действительно  нет способов воздействовать извне  на наследственный недуг, снять с  помощью лекарства, диеты, лечебной гимнастики, хирургическим путем, наконец, симптомы заболевания?

Благодаря достижениям медицинской  цитологии и биологической химии  ученые начали понимать, в чем же заключается разница между здоровым организмом и организмом, отягощенным  наследственной болезнью. Разработаны  способы ранней диагностики многих наследственных заболеваний и найдены  методы их лечения. По отношению к  некоторым болезням открылась возможность предупредить рождение больных детей или предотвратить у них развитие болезни. Успех таился на стыке наук. Стена, отделяющая ученых-биологов и врачей-практиков, рухнула. Этот процесс осуществляется одновременно во всем мире. Интерес к законам наследственности со стороны врачей значительно возрос.

Наследственно обусловленные болезни  человека привлекают к себе в настоящее  время огромное внимание ученых всех стран. Создаются специальные научные  институты для их изучения, периодически созываютс

съезды по медицинской генетике, издаются специальные журналы. Эта  новая глава медицины развивается  быстрым темпом. Современному человечеству удалось в какой-то мере справиться с рядом болезней, таких, как многие инфекции (туберкулез, оспа, тифы, сифилис, малярия и др.) или как многие хирургические заболевания, вследствие чего значительно увеличилась средняя продолжительность жизни современных людей; в то же время в отношении наследственных болезней до последнего времени почти ничего еще не было сделано. Понятен тот огромный интерес, который в настоящее время привлекают к себе эти заболевания [2, с.96].

Совершенствование методов биохимического исследования позволило выделить группу заболеваний почек, в развитии которых  ведущую роль играют наследственные факторы. Клинический диагноз этих заболеваний весьма затруднен, т.к. по течению они напоминают нефрит или пиелонефрит; их предложено называть нефритоподобными заболеваниями почек (нефропатиями). Важная роль при этом принадлежит тщательному изучению семейного анамнеза, составлению и анализу родословной. Данные лабораторных исследований характеризуются отсутствием свойственных нефриту признаков – нет отеков или повышения кровяного давления.

Успехи в ранней диагностике  наследственных заболеваний обмена веществ в период, когда имеются  лишь небольшие нарушения и заболевание  еще не привело к необратимым  морфологическим изменениям, способствуют разработке мер лечебного воздействия. Чаще всего это назначение диеты  с исключением продуктов, содержащих вещества, которые не переносятся  больным. С этой целью создаются  также специальные пищевые продукты. Современные достижения медицинской  генетики позволяют предупредить многие из болезней путем научно обоснованных мероприятий. Эти вопросы решаются в медико-генетической консультации.

Генетическую основу своего здоровья нужно учитывать именно для того, чтобы не болеть. Американские медики разработали тест под шуточным названием  «Доживете ли до семидесяти?». Ученые собрали большой статистический материал и сделали выводы относительно влияния некоторых особенностей образа жизни и наследственности человека на его долголетие. Оказалось, физический труд в отличие от умственного прибавляет несколько лет жизни. Спорт также увеличивает ее продолжительность. Установлено, что лица, занимающиеся спортом 5 раз в неделю, живут на четыре года дольше; 2-3 раза в неделю – на два года дольше, чем те, кто игнорирует физические нагрузки или обращается к спорту лишь эпизодически. Как видим, занятия физической культурой благотворно влияют на человека, и людям, занятым умственным трудом, необходимо компенсировать ограничение двигательной активности. Но вернемся к тесту. Длительный сон (свыше 10 часов в сутки) отрицательно влияет на продолжительность жизни, сокращая ее на 4 года по сравнению с 7-8-часовым сном, что также объясняется снижением двигательной активности, а значит, и ухудшением кровообращения. Тест показал, что агрессивные люди вспышками гнева укорачивают свой век, тогда как спокойные – продляют его благодаря собственной уравновешенности. Разница в продолжительности жизни этих двух категорий лиц составляет шесть лет. На продолжительность жизни отрицательно влияют курение, употребление спиртного, наркотиков, избыточный вес, положительно влияет образование. Среднее удлиняет ее 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) повышает шансы  внуков на продолжительность жизни, превышающую среднестатистическую. Скоропостижная смерть одного из этих прародителей в возрасте до 50 лет  от сосудистых или онкологических заболеваний  говорит о необходимости профилактики названных болезней у их потомков. Сейчас стало модно рисовать генеалогическое  древо своей семьи. Вполне естественен  интерес людей к своей родословной, к тому, чем занимались их прабабушки и прадедушки, участниками каких  исторических событий они были, как  жили. Полезно поинтересоваться и  здоровьем родственников старшего поколения, так как предрасположенность  ко многим заболеваниям передается по наследству. Например, гипертония, диабет, рак. Другой пример: медики считают  алкоголизм болезнью, предупреждая, что  склонность к злоупотреблению спиртным может наследоваться. Что это  значит? Говоря бытовым языком, человек  быстрее втягивается в пьянство, быстрее спивается. Это обусловлено  особенностями биохимических процессов  в его организме. Однако предрасположенность  и предопределенность – понятия  разные. Реализация генетической программы  зависит от целого комплекса условий. В рассматриваемом случае она  корректируется соответствующим образом  жизни [7, с.46].