Генетически модифицированные организмы. Принципы получения, применение

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Челябинский государственный университет»

Биологический факультет

Кафедра микробиологии

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО МИКРОБИОЛОГИИ

 

Генетически модифицированные организмы. Принципы получения, применение.

 

 

 

 

 

Выполнила студентка

группы БМ 401 (1)

Ярыгина М.А.

Научный руководитель:

Жигалова Н.И.

 

 

 

 

 

Челябинск 2012

 

Оглавление

 

Введение……………………………………………………………………………...3

Глава 1. Что такое генетически модифицированные организмы......…...…..........5

1.1. Определение, история  и предпосылки возникновения……………………5

1.2. Принципы получения………………………………………………………..7

1.2.1. Способы получения ГМ микроорганизмов...….....………………..7

1.2.2. Получение трансгенных растений………………………………10

1.2.3. Получение трансгенных животных……………………………….13

Глава 2. Положительные аспекты в использовании……………………………..15

2.1. Аргументы сторонников………………………………...…………………15

2.2. Использование генетически модифицированных микроорганизмов…...18

2.2.1. Трансгенные микроорганизмы в медицине….........…...…….…....18

2.2.2. Химическая промышленность…………………………….………..21

2.2.3. Другие варианты применения ГММ……………………………….22

2.3. Использование трансгенных растений………………………….………...24

2.4. Трансгенные животные в сельском хозяйстве………...…...………….....27

Глава 3. Неблагоприятные эффекты генно-инженерных организмов………….29

3.1. ГМО и здоровье человека………………………………………………….30

3.1.1. Токсичность………………………………………………………….30

3.1.2. Аллергия……………………………………………………………..32

3.1.3. Онкология……………………………………………………………33

3.2. Экологические риски………………………………………………………34

Глава 4. Ситуация с ГМО в России……………………………………………….36

4.1. Маркировка и регистрация  продукции…………………………………...36

4.2. Становление зон, свободных  от ГМО…………………………………….38

Заключение………………………………………………………………………….40

Список использованных источников……………………………………………...42

Приложения………………………………………………………………………...43

 

Введение

 

 «Генная революция» открыла новую эру в развитии общественно-экономических отношений. Под ее влиянием формируются новые рынки товаров и услуг, меняется их стоимость и способы производства, возникают новые и могут исчезать некоторые традиционные виды деятельности, изменяется структура и направление инвестиционных потоков. Уже сегодня широкое использование методов современной биотехнологии повлекло значительные изменения в сельском хозяйстве, промышленном производстве, энергетике, медицине и ветеринарии. Эти процессы стремительно развиваются и уже имеют значительное влияние на международную торговлю, которая будет только увеличиваться, что приведет в будущем к изменению структуры мирового хозяйства и национальных экономик многих стран.  
Сегодня очевидно, что современные биотехнологии открывают перед человечеством большие перспективы и несут с собой как преимущества, так и возможные неизвестные риски и угрозы. Их использование во многих сферах вызывает сегодня большой резонанс в обществе, но наибольшее внимание приковано к генетически модифицированным организмам. Насколько использование ГМО перспективное и безопасное – на этот вопрос сегодня пытаются дать ответ ученые, эксперты международных и общественных организаций.

Но общество смущает не столько генетическое модифицирование как специфическая технология, сколько контекст, в котором происходит разработка ГМО, потому что достаточно часто методы генной инженерии воспринимаются как «вмешательство в дело Божие». Предостерегающее отношение к ГМО связано не только с общественными и политическими ценностями, юридическими и религиозными нормами, а также с вопросами здоровья нации, экономической безопасности государства и экологической ситуации на планете.

ГМО все чаще стали входить в продукты питания. В настоящее время содержание ГМО в продуктах является привычным и приемлемым. Стоит безразлично относиться к проблеме ГМ-организмов? Большинство ученых считает, что нужно все же учитывать возможные риски от ГМО, вводить моратории на коммерческое использование, так как эта продукция может нанести необратимый вред биологическому разнообразию экосистем, здоровью людей и животных. Кроме этого растет разрыв между странами Западной и Восточной Европы в уровнях осведомленности о потенциальном риске выпуска ГМО.

Целью данной работы является рассмотрение вопросов, касающихся природы генетически модифицированных организмов, каким образом их получают, в каких отраслях активно применяют и почему в странах создаются зоны свободные от ГМО.

 

Глава 1. Что такое генетически модифицированные организмы

 

1.1. Определение, история и предпосылки возникновения

 

Продовольственная проблема является одной из важнейших проблем человечества. Особенно остро она стоит в развивающихся странах, где происходит стремительный рост населения до 100 млн. человек в год, и очень слабо развито сельское хозяйство. Постоянные поставки гуманитарной помощи со стороны развитых стран и международных организаций являются явно недостаточными для борьбы с голодом. Уже сейчас дефицит пищевых продуктов в мире превышает 60 млн. тонн, а число людей, страдающих от недостаточного питания, приближается к 1 млрд. человек. Таким образом, современная стратегия производства пищевых продуктов должна быть направлена на поиск выхода из продовольственного кризиса в кратчайшие сроки. Возникла необходимость в применении принципиально новых подходов к созданию высокопродуктивных агросистем, обеспечивающих значительное повышение урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности скота. Выход был найден в лице трансгенных организмов. [1]

Под  ГМО  понимают  живые  организмы, имеющие  преднамеренно  измененные  последовательности  нуклеиновых  кислот.  Указанные изменения  могут  сводиться  к  введению  или удалению  генетических  фрагментов.  При этом  может  вводиться  как  чужеродная  нуклеиновая кислота (например,  бактерии,  содержащие  ген инсулина  человека),  так  и  нуклеиновая  кислота данного  вида (например,  для повышения содержания  крахмала  в  картофеле  гены,  связанные  с синтезом  крахмала,  могут  быть «продублированы» несколько раз). ГМО объединяют три группы организмов – генетически модифицированные микроорганизмы (ГММ), животные (ГМЖ) и растения (ГМР). Современные биотехнологии (создание ГМО) в зависимости от назначения подразделяются на четыре типа:

• красные биотехнологии – использование ГМО в качестве фабрики для производства лекарственных препаратов;
• зеленые биотехнологии – использование ГМ-растений в сельском хозяйстве и лесоводстве;
• белые биотехнологии – использование ГМО в различных отраслях промышленности;
• существует также термин «голубые биотехнологии», он, как правило, применяется к модификациям в водных экосистемах. [3]

Первый ГМ-продукт был получен в 1972 году, когда ученый Стэндфордского университета Пол Берг объединил в единое целое два гена, выделенных из разных организмов, и получил гибрид, который не встречается в природе. Так был изобретен модифицированный табак. Всего через несколько лет в США начала развиваться индустрия создания генетически модифицированных организмов (ГМО). Очень скоро ученные поняли, благодаря генной модификации растения и овощи становятся морозоустойчивее, дольше хранятся и их не едят насекомые. [2]

Первый ГМ микроорганизм – кишечная палочка с человеческим геном, кодирующим синтез инсулина, появился на свет в 1973 году. В связи с непредсказуемостью результатов ученые Стенли Коэн и Герберт Бойер, сделавшие это изобретение, обратились к мировому научному сообществу с призывом приостановить исследования, написав письмо в журнал Science; в числе прочих под ним подписался и сам Пол Берг. В феврале 1975 года на конференции в Асиломаре (Калифорния), ведущие специалисты в области генной инженерии решили прервать мораторий и продолжить исследования с соблюдением специально разработанных правил. На отработку методики промышленного производства микробно-человеческого инсулина и его проверку с особым пристрастием понадобилось семь лет: только в 1980 году американская компания Genentech начала продажу нового препарата. [1]

В 1994 году американская компания Monsanto (печально известная как изобретатель вещества Agent Orange, применявшегося для «выжигания» растений во время войны США во Вьетнаме, в результате чего более миллиона вьетнамцев стали инвалидами, тысячи солдат армии США умерли от рака) представила свою первую разработку генной инженерии – помидор под названием FlavrSavr. Он мог в полузрелом состоянии месяцами храниться в прохладном помещении, однако стоило плодам оказаться в тепле – они тут же краснели. Такие свойства модифицированные помидоры получили благодаря соединению с генами камбалы. Затем ученые скрестили сою с генами некоторых бактерий, и эта культура стала устойчивой к гербицидам, которыми обрабатывают поля от вредителей. [2]

Впоследствии в мире было выведено около тысячи генномодифицированных культур, однако из них только 100 разрешены к промышленному производству. Наиболее распространенные – помидоры, соя, кукуруза, рис, пшеница, арахис, картофель.

По итогам 2008 года, площадь посевов ГМ-культур превысила 114,2 млн гектар. Генномодифицированные культуры выращивают около 10 млн фермеров в 21 стране мира. Лидером в производстве ГМ-культур являются США, следом идут Аргентина, Бразилия, Китай и Индия. В Европе к генномодифицированным культурам относятся настороженно, а в России высаживать ГМ-растения вовсе запрещено, но в некоторых регионах этот запрет обходится – посевы генномодифицированной пшеницы есть на Кубани, в Ставрополе и на Алтае. [3]

 

1.2. Принципы получения

 

1.2.1. Способы получения ГМ микроорганизмов

 

Способность организмов синтезировать те или иные биомолекулы, в первую очередь белки, закодирована в их геноме. Поэтому достаточно «добавить» нужный ген, взятый из другого организма, в бактерию, которая способна расти в простых условиях и чрезвычайно быстро размножаться. Но попытки провести перенос в бактерии непосредственно геномной ДНК привели к противоречивым результатам. Только в 70-е годы были получены воспроизводимые результаты с применением так называемой векторной трансформации. В основе этого подхода лежит использование векторных молекул – ДНК, способных переносить содержащиеся в них гены в клетку, где эти молекулы реплицируются автономно или после интеграции с геномом. Решающую роль в этих экспериментах сыграли также методы получения индивидуальных генов, наработка их в необходимом количестве путем клонирования, то есть практически неограниченного размножения в бактериальных клетках. [3]

В основе всех достижений генетической инженерии лежит одна из особенностей строения генома бактерий – наличие у них небольших, отличных от хромосомы, кольцевых молекул ДНК, называемых плазмидами. Плазмиды широко распространены в природе и встречаются у подавляющего числа прокариотических организмов, а также у низших эукариот – дрожжей. Важным свойством плазмид является их способность реплицироваться (размножаться) вместе с ДНК клетки хозяина. Клетки хозяина не нуждаются в плазмидах для выживания в обычных условиях, но часто плазмиды придают им ряд особых свойств. Плазмиды придают бактериям способность к половому размножению (F-фактор), устойчивость к антибиотикам и дезинфицирующим средствам (R-фактор), возможности усвоения некоторых сложных органических веществ, например, углеводородов. Основная масса исследований, которые привели к развитию генной инженерии, проводилась на классическом объекте микробиологов – кишечной палочке Escherichia coli. С помощью специальных ферментов – эндонуклеаз рестрикции, или рестриктаз, плазмида, несущая какой-нибудь маркерный ген, например, ген устойчивости к определенному антибиотику, разрезается в строго определенном месте с образованием с каждой стороны нескольких (от одного до пяти) неспаренных оснований – «липких концов». С помощью таких же рестриктаз получается фрагмент генома организма-донора, несущий нужный ген, например, ген человеческого инсулина. В последнее время донорную ДНК чаще получают путем «пришивания» «липких концов» к молекуле ДНК, полученной путем обратной транскрипции с матричной РНК нужного гена (кДНК). Главную роль здесь играет фермент обратная транскриптаза, или ревертаза, впервые открытая у ретровирусов (таких как ВИЧ и некоторые возбудители злокачественных новообразований – онковирусов). Далее за счет комплиментарного взаимодействия неспаренных оснований «липких концов» происходит включение нужного гена в плазмиду, при этом образуется новая рекомбинантная (гибридная) ДНК. Завершает процесс фермент ДНК-лигаза, которая ковалентно зашивает разрывы в цепях ДНК. Следующий этап – перенос рекомбинантной плазмиды в бактерию. Такой процесс – включение чужеродной ДНК в бактериальную клетку носит название трансформации, а молекула ДНК – вектор. [Приложение 1, рис.1] Это явление встречается в природе, что говорит о том, что трансформация – это естественный биологический процесс. В естественных условиях трансформация встречается у таких бактерий, как возбудитель пневмонии. [5]

Значительно сложнее подвергнуть генетической модификации эукариотические микроорганизмы, а именно грибы. Как и у бактерий, у них имеются плазмиды, но использование их в качестве векторов часто оказывается не очень эффективно. Поэтому для того, чтобы возник стабильный трансформант, необходимы два последовательных события: проникновение рекомбинантной ДНК в клетку и ее интеграция в хромосомную ДНК. Такой метод называется интегративной трансформацией. В дальнейшем генно-инженерное конструирование у дрожжей пошло по пути создания кольцевых плазмид с центромерами, особыми участками ДНК, обеспечивающими связь с белками веретена деления и, следовательно, равномерное распределение таких плазмид между двумя клетками во время митоза. Развитие этого подхода привело к созданию целых искусственных мини-хромосом, содержащих, помимо центромерного участка, теломеры на концах, загнутые в виде шпильки, и репликаторы – участки начала репликации ДНК. Подобные минихромосомы могут включать сразу несколько полезных генов, что обеспечивает производство нужной биотехнологической продукции.