Достижение современного естествознания в биологии

Нуклеотиды соединяются  в цепь посредством ковалентнйх связей. Образованные таким образом цепи нуклеотидов объединяется в одну молекулу ДНК по всей длине водородными связями: адениновый нуклео-тид одной цепи соединяется с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый — с цитозиновым . При этом аденин всегда распознает только тимин и связывается с ним и наоборот. Подобную пару образуют гуанин и цитозин. Такие пары оснований, как и нуклеотиды, называются комплементарными, а сам принцип формирования двухцепочной молекулы ДНК — принципом комплементарности. Число нуклеотидных пар, например, в организме человека составляет 3 — 3,5 млрд.

ДНК — материальный носитель наследственной информации, которая кодируется последовательностью  нуклеотидов. Расположение четырех  типов нуклеотидов в цепях  ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах белка, т.е. их первичную структуру. От набора белков зависят свойства клеток и  индивидуальные признаки организмов. Определенное сочетание нуклеотидов, несущих информацию о структуре  белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК образуют генетический код. Ген (от греч. genos — род, происхождение) — единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК, определяющий структуру одной молекулы белка. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется геномом, а генетическая конституция организма (совокупность всех его генов) — генотипом. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, а следовательно, в генотипе приводит к наследственным изменениям в организме—мутациям.

Генетический код  обладает удивительными свойствами. Главное из них — триплетность: одна аминокислота кодируется тремя рядом распо ложенными нуклеотидами — триплетом, называемым кодоном. При этом каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Другое не менее важное свойство — код един для всего живого на Земле. Это свойство генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.

Для молекул ДНК  характерно важное свойство удвоения — образования двух одинаковых двойных  спиралей, каждая из которых идентична  исходной молекуле. Такой процесс  удвоения молекулы ДНК называется репликацией. Репликация включает в себя разрыв старых и формирование новых водородных связей, объединяющих цепи нуклеотидов. В начале репликации две старые цепи начинают раскручиваться и отделяться друг от друга. Затем по принципу комплементарности к двум старым цепям пристраиваются новые. Так образуются две идентичные двойные спирали. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передает ее по наследству от поколения к поколению.

Генетические  свойства 

Накануне открытия структуры молекулы ДНК известные  биологи считали, что вторгнуться  в наследственный аппарат, а тем  более манипулировать с ним наука  сможет лишь в XXI в. Однако, несмотря на сложность структуры и свойств  наследственного материала, уже  в конце XX в. родилась новая отрасль  молекулярной биологии и генетики —  генная инженерия, основная задача которой  заключается в конструировании  новых, не существующих в природе сочетаний генов. В последнее время эта отрасль называется генной технологией. Она открывает возможности выведения новых сортов культурных растений и высокопродуктивных пород животных, создания эффективных лекарственных препаратов и т.д.

Проведенные в последнее  время исследования показали, что  наследственный материал не стареет. Генетический анализ эффективен даже в том случае, когда молекулы ДНК принадлежат  весьма далеким друг от друга поколениям. Сравнительно недавно была поставлена задача определить, кому принадлежат останки, найденные в захоронении под Екатеринбургом. Царской ли семье, расстрелянной в этом городе в 1918 г.? Или слепой случай собрал в одну могилу такое же число мужских и женских останков? Ведь в годы гражданской войны погибли миллионы... Образцы останков были отправлены в английский Центр судебно-медицинской экспертизы — там уже накоплен большой опыт генного анализа. Из костной ткани исследователи выделили молекулы ДНК и провели анализ. С точностью 99% установлено: в исследуемой группе находятся останки отца, матери и их трех дочерей. Но может быть, это не царская семья? Предстояло доказать родство найденных останков с членами английского королевского дома, с которым Романовы связаны довольно близкими родственными узами. Анализ подтвердил Родство погибших с английским королевским домом, и служба судебно-медицинской экспертизы сделала заключение: найденные под Екатринбургом останки принадлежат царской семье Романовых.

Одно из чудес  природы — неповторимая индивидуальность каждого живущего на Земле человека. «Не сравнивай — живущий несравним» -писал О. Мандельштам. Ученым долгое время не удавалось найти ключ к разгадке индивидуальности человека. Сейчас известно, что вся информация о строении и развитии живого организма «записана» в его геноме. Генетический код, например, окраски глаз человека отличается от генетического кода окраски глаз кролика, но у разных людей он имеет одинаковую структуру и состоит из одних и тех же последовательностей ДНК.

Ученые наблюдают  огромное разнообразие белков, из которых  построены живые организмы, и  удивительное однообразие кодирующих их генов. Разумеется, в геноме каждого  человека должны быть какие-то области, определяющие его индивидуальность. Долгий поиск увенчался успехом  — в 1985 г. в геноме человека обнаружены особые сверхизменчивые участки — мини-сателлиты. Они оказались настолько индивидуальны у каждого человека, что с их помощью удалось получить своеобразный «портрет» его ДНК, точнее, определенных генов. Как же выглядит этот «портрет»? Это сложное сочетание темных и светлых полос, похожее на слегка размытый спектр, или на клавиатуру из темных и светлых клавиш разной толщины. Такое сочетание полос называют ДНК-отпечатками по аналогии с отпечатками пальцев.

Современные биотехнологии

Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и биологических процессов в  промышленном производстве. На их базе освоено массовое производство искусственных белков, питательных и многих других веществ. Успешно развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т.п. С применением генных технологий и естественных биоорганических материалов синтезируются биологически активные вещества — гормональные препараты и соединения, стимулирующие иммунитет.

Для увеличения производства продуктов питания нужны искусственные  вещества, содержащие белки, необходимые  для жизнедеятельности живых  организмов. Благодаря важнейшим  достижениям биотехнологии в  настоящее время производится множество  искусственных питательных веществ, по многим Свойствам превосходящих  продукты естественного происхождения.

Современная биотехнология  позволяет превратить отходы древесины, соломы и другое растительное сырье  в ценные питательные белки. Она  включает процесс гидролизации промежуточного продукта — целлюлозы — и нейтрализацию образующейся глюкозы с введением солей. Полученный раствор глюкозы представляет собой питательный субстрат микроорганизмов — дрожжевых грибков. В результате жизнедеятельности микроорганизмов образуется светло-коричневый порошок — высококачественный пищевой продукт, содержащий около 50% белка-сырца и различные витамины. Питательной средой для дрожжевых грибков могут служить и такие содержащие сахар растворы, как паточная барда и сульфитный щелок, образующийся при производстве целлюлозы.

Некоторые виды грибков  превращают нефть, мазут и природный  газ в пищевую биомассу, богатую  белками. Так, из 100 т неочищенного мазута можно получить 10 т дрожжевой  биомассы, содержащей 5 т чистого  белка и 90 т дизельного топлива. Столько  же дрожжей производится из 50 т сухой  древесины или 30 тыс. м3 природного газа. Для производства данного количества белка потребовалось бы стадо  коров из 10 000 голов, а для их содержания нужны огромные площади пахотных земель. Промышленное производство белков полностью автоматизировано, и дрожжевые  культуры растут в тысячи раз быстрее, чем крупный рогатый скот. Одна тонна пищевых дрожжей позволяет  получить около 800 кг свинины, 1,5—2,5 т  птицы или 15—30 тыс. яиц и сэкономить при этом до 5 т зерна.

Некоторые виды биотехнологий  включают процессы брожения. Спиртовое  брожение известно еще в каменном веке — в древнем Вавилоне варили около 20 сортов пива. Много столетий назад началось массовое производство алкогольных напитков. Еще одно важное достижение в микробиологии —  разработка в 1947 г. пенициллина. Двумя  годами позже на основе глутаминовой кислоты путем биосинтеза впервые получены аминокислоты. К настоящему времени налажено производство антибиотиков, витаминно-белковых добавок к продуктам питания, стимуляторов роста, бактериологических удобрений, средств защиты растений и др.

С использованием рекомбинантных ДНК удалось синтезировать ферменты и тем самым расширить их область применения в биотехнологии. Появилась возможность производить множество ферментов при сравнительно невысокой их себестоимости. Известны микроорганизмы, перерабатывающие глюкозу во многие полезные химические продукты. Однако чаще такое растительное сырье потребляется в качестве пищевых продуктов. Для ферментации можно использовать биомассу в виде отходов сельского и лесного хозяйств. Однако она содержит лигнин, препятствующий биокаталитическому расщеплению и ферментации целлюлозных компонентов. Поэтому природную биомассу необходимо предварительно очистить от лигнина.

Дальнейшее развитие биотехнологий связано с модификацией генетического аппарата живых систем.

Генные  технологии

Генные технологии основаны на методах молекулярной биологии и генетики, связанных с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генные технологии зарождались в начале 70-х годов XX в. как методы рекомбинантных ДНК, названные генной инженерией. Основная операция генной технологии заключается в извлечении из клеток организма гена, кодирующего нужный продукт, или группы генов и соединение их с молекулами ДНК, способными размножаться в клетках другого организма. На начальной стадии развития генных технологий был получен ряд биологически активных соединений — инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяют химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем биотехнологии, медицины и сельского хозяйства.

Основная цель генных технологий — видоизменить ДНК, закодировав  ее для производства белка с заданными  свойствами. Современные экспериментальные  методы позволяют анализировать  и идентифицировать фрагменты ДНК  и генетически видоизмененной клетки, в которые введена нужная ДНК. Над биологическими объектами осуществляются Целенаправленные химические операции, что и составляет основу генных технологий.

Генные технологии привели к разработке современных  методов анализа генов и геномов, а они, в свою очередь, — к синтезу, т.е. к конструированию новых, генетически  модифицированных микроорганизмов. К  настоящему времени установлены  нуклеотидные последовательности разных микроорганизмов, включая промышленные штаммы, и те, которые нужны для  исследования принципов организации  геномов и для понимания механизмов эволюции микробов. Промышленные микробиологи, в свою очередь, убеждены, что знание нуклеотидных последовательностей  геномов промышленных штаммов позволит «программировать» их на то, чтобы  они приносили большой доход.

Клонирование эукариотных (ядерных) генов в микробах и есть тот принципиальный метод, который привел к бурному развитию микробиологии. Фрагменты геномов животных и растений для их анализа клонируют именно в микроорганизмах. Для этого в качестве молекулярных векторов — переносчиков генов — используют искусственно созданные плазмиды, а также множество других молекулярных образований для выделения и клонирования.

С помощью молекулярных проб (фрагментов ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов) можно определять, скажем, заражена ли донорская кровь вирусом СПИДа. А генные технологии для идентификации некоторых микробов позволяют следить за их распространением, например внутри больницы или при эпидемиях.

Генные технологии производства вакцин развиваются в  двух основных направлениях. Первое —  улучшение уже существующих вакцин и создание комбинированной вакцины, т.е. состоящей из нескольких вакцин. Второе направление — получение  вакцин против болезней: СПИДа, малярии, язвенной болезни желудка и др.

За последние годы генные технологии значительно улучшили эффективность традиционных штаммов-продуцентов. Например, у грибного штамма-продуцента антибиотика цефалоспорина увеличили число генов, кодирующих экспандазу, активность которой задает скорость синтеза цефалоспорина. В итоге выработка антибиотика возросла на 15—40%.

Проводится целенаправленная работа по генетической модификации  свойств микробов, используемых в  производстве хлеба, сыроварении, молочной промышленности, пивоварении и виноделии, чтобы увеличить устойчивость производственных штаммов, повысить их конкурентоспособность  по отношению к вредным бактериям  и улучшить качество конечного продукта.

Генетически модифицированные микробы приносят пользу в борьбе с вредными вирусами и микробами  и насекомыми. Вот примеры. В результате модификации тех или иных растений можно повысить их устойчивость к  инфекционным болезням. Так, в Китае  устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец выращивают уже  на больших площадях. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам.

В настоящее время  трансгенные растения промышленно выращиваются в США, Аргентине, Канаде, Австрии, Китае, Испании, Франции и Других странах. С каждым годом увеличиваются площади под трансгенными растениями. Особенно важно использовать трансгенные растения в странах Азии и Африки, где наиболее велики потери урожая от сорняков, болезней и вредителей и в то же время больше всего не хватает продовольствия.