Клеткалық инженерия

Жоспар

1.Клеткалық инженерия. 
2.Клеткалық инженерияның мәселелері. 
3. Сомалық клетканың гибридизациялары.

 
        Қазіргі кездегі жағдайлардағы ЖОО негізгі міндеттері жан-жақты дамыған, өзінің білімін үздіксіз толықтырып және тереңдетуге қабілетті, сондай-ақ идеялық, теориялық және кәсіби деңгейін жоғарлататын, ғылыми-техникалық прогрестің қарқынды жүруіне қатысатын мамандарды дайындау болып табылады.

       Клеткалық инженерия — экономикалық маңызды өнімдерді алуға, өсімдіктердің, жануарлар тектерінің, микроағзалар штаммдарының жаңа сорттарын жасау үшін биологиялық процестерді және жүйелерді қолдануға негізделген, ғылым мен өндірістің жаңа саласы. Биотехнология адам тыныс тіршілігінің әртүрлі саласы үшін маңызды өнімдер алуды басқаруды қамтамасыз етеді. Бұл технологиялар микроағзалар, өсімдіктер және жануарлар жасушалары мен ұлпаларын, сондай-ақ жасушадан тыс заттарды және жасушалар компоненттерінің әртүрлі биологиялық агенттер мен жүйелерінің каталитикалық потенциалын қолдануға негізделеді. Қазіргі уақытта биотехнологияны меңгеру және жасау іс-жүзінде барлық елдердің тыныс тіршілігінде сүруінде маңызды орында тұрады. Биотехнология жетістіктерінің артықшылығы дамыған елдердің экономикалық саясатында негізгі міндеттердің бірі болып табылады. Қазіргі уақытта биотехнология саласында алдыңғы орындарды АҚШ, Жапония иемденеді, олардың ауылшаруашылығы, фармацевтика, тағам және химия өнеркәсіптерінде биотехнологияның көп жылдық іс-тәжірибелері жинақталған. Ферментті препараттар, аминқышқылдар, ақуыздар, дәрі-дәрмектер өнідірісінде алдыңғы орындарды Батыс Европа елдері (ФРГ, Франция, Ұлыбритания), сондай-ақ Ресей иемденеді. Бұл елдердегі жағдай жаңа техника мен технологиялардың күшті потенциалымен, биотехнологияның әртүрлі салаларындағы қарқынды дамыған фундаменталды және қолданбалы зерттеулермен сипатталады. Жақын арада биотехнологиялық материалдарды және принциптерді қолдану, өнеркәсіптің көптеген салаларын және адамдар қоғамын түбегейлі өзгертеді.

         Қазіргі кезде биотехнологиялық жолмен көп мөлшерде, бірақ аз шығынмен, азықтық ақуыз, бактерия, саңырауқұлақтар мен су балдырларының жасушалық массасы алынады, сондай-ақ инсулин, өсу гармоны, интерферон, қан сары суының факторы, моноклональды интиденелер, иммобилизденген ферменттер және басқалар дайындалады.

Өнеркәсіптік және ауылшаруашылық өндірісінің қалдықтарын биоконверсиялау жолмен бағалы қайта пайда болатын отын көздері спирттер, биогенді көмірсутегілер, сутегі алынады. Қазіргі кездегі зерттеулер қалдықсыз технологияларды жасау және полимерлерді бұзуға негізделген жаңа белсенді микроағзалар табуға бағытталаған. Көрсетілген мысалдармен биотехнологияның жетістіктері шектелмейді. Сондықтан, сеніммен биотехнологияны -21 ғасыр ғылымы деп айтуға болады, онда қазіргі заманғы ғылыми сыйымдылықтар, ресурстарды үнемдеуші және экологиялық таза өндірістер жасау негізінде биотехнологиялық процестер кездеседі. Биотехнология – ғылыми пəн ретінде. Биотехнологияның даму тарихы, мақсаты, міндеті. Биотехнологияның негізгі бағыттары. Даму перспективасы. Өндірістік микроорганизмдер штамдарын жасаудың жаңа заманғы əдістері жəне олардың пайдалы қасиеттерін сақтау мəселелері. «Популяциялық төзімділік» жəне «автоселекция» түсініктері. Микроорганизмдер штамдарын сақтаудың негізгі əдістері. Биотехнологиялық процесстер: жүзеге асыру принциптері, жүйелеу, сатылары. Биоөнеркəсіпте қолданылатын шикізаттар. Микроорганизмдерді дақылаудағы қоректік орталар құрамын жасақтау. Микроорганизмдерді дақылдау. Егу материалдарын алу. Беттік жəне түптік (агарлы қоректік ортасы бар Петри табақшасы түбінде) дақылдау. Микроорганизмдерді дақылаудағы үздіксіз жəне үздікті процестер, олардың артылықшылығы мен кемшіліктері. Өндірістік штамдардың өсуіне дақылдау жағдайы мен метаболиттер синтезінің əсері. Микробты биомасса алуға негізделген биотехнологиялық процестер Микробты белок өндірісі. Органикалық қышқалдар мен нейтральды (бейтарап) өнімдер алу. Органикалық қышқылдар алу. Сүт қышқылын алу. Спирттік ашу. Ацетоно – бутилді ашу. Микробиологиялық синтез өнімдерін алу: аминқышқылдары, ферменттер, витаминдер, полисахаридтер, липидтер. Витаминдер жəне ферменттер өндіру.

        Липидтер мен полисахаридтер алу. Дəрілік жəне профилактикалық препараттардың биотехнолгиялық өндірісі. Антибиотиктер өндірісі. Вакциналар алу. Металл биотехнологиясы. Қоршаған орта биотехнологиясы. Тағам өнімдері мен сусындарының микробиологиялық өндірісі 
Экологиялық биотехнологияның пəні жəне міндеттері, оның қазіргі қоғамдағы маңызы. Биогеохимиялық циклдер. Микроорганизмдердің зат алмасудағы ролі, көміртегінің, оттегінің, азоттың жəне күкірт айналымының жүйелері. Табиғи экожүйелер – топырақ жəне су қоймаларындағы микроорганизмдердің өзара байланысы. Микроорганизмдер мен өсімдіктер арасындағы түраралық қатынастар жəне əсерлесулер. Ағын сулардың негізгі сипаттамасы. Тұрмыстық жəне өндірістік ағын суларды қайта өндеудің интенсивті əдістерін жетілдірудің биотехнологиялық жолдары. Түрлі микробтық консорциумдарды кеңістіктік бөлу əдісімен тазалау процесін интенсификациялау, бұл əдістің артықшылықтары мен кемшіліктері. қышқылдануы қиын, жоғары токсинді жəне ароматикалық заттарды утилизациялау үшін рекомбинантты штаммдарды қолдану. Ағын суларды тазартудың аэробты жəне анаэробты процестері, олардың сипаттамасы. Тұрмыстық жəне өндірістік ағын суларды анаэробтық əдіспен тазарту. Металлургиялық кəсіпорынның ағын суларын тазартуда жəне олардан металдар алуда активті лай микроорганизмдерін пайдалану. Қышқылдану процестері / металдардың қалпына келуі немесе олардың гетеротрофты микроорганизмдерде тұнуы. Өндірістік ағын суларды Pseudomonas putіda пластмассаға немесе ағаш жаңқаларына иммобилизацияланған клеткаларының көмегімен мышьяктан тазарту. Түрлі өндірістердегі өнеркəсіптік қалдықтарды биологиялық қайта өндеу. Генді инженерия əдістерімен алынған микроорганизмдерді жəне микробтық синтездің кейбір өнімдерін пайдаланудың қауіпсіздік мəселелері. Болжамдық экология – сыртқы ортада трансформацияланған организмдердің болашақтағы тəртібін жан-жақты бағалауды мақсат еткен ғылым. Экологиялық мəселелерді шешу үшін қолданылатын жаңа биотехнологиялар. Экологиялық биотехнологияның болашақ жорамасы.

         Микроорганизмдердің физиологиясы мен биохимия пəні. Оның басөқа ғылымдар арасындағы орны, микроб физиололгиясы мен биохимиясының міндеттері. Методологиялық негіздері. Даму сатылары. Микроб жасушасындағы физиология мен метаболизмді зерттеудегі жаңа бағыттар. Микроорганизмдер физиологиясы мен биохимиясының биотехнологиямен байланысы. Микроорганизмдерді бөліп алу жəне өсіру. Жинақтаушы дақылдары мен элективті принциптер. Микроорганизмдердің таза дақылдары, оларды анықтаудың жəне алудың əдістемелері. Штамм, клон туралы түсінік. Моно – жəне араласқан дақылдар. Өсіру үшін пайдаланатын орталардың негізгі түрлері. Қоректік орталарды жасау принциптері. Табиғи жəне синтетикалық орталар. Аэробты жəне анаэробты жəне фототүзуші микроорганизмдерді өсіру. Үстіңгі бетінде жəне тереңде өсіру. Мерзімдік жəне үздіксіз өсіру. Үздіксіз өсіруге арналған аппараттар (хемостат пен турбидостат). Өнеркəсіптегі микроорганизмдердің қасиеттерін зерттеу үшін үздіксіз өсірудің əдістемесінің мəні. Микроорганизмдердің өсуі. Теңгермелі жəне теңгермесіз (басталған жəне баслалмаған) өсу. Микроорганизмдер дақылдарының өсуін анықтау тəсілдері. Мерзімді өсірілетін дақылдар популяциясының өсу заңдылықтары. Оларды өсу қисық сызығы жəне фазаларының ерекшеліктері. Өсу жылдамдығын, генерация мезгілін, жасуша өнімін анықтау. Диауксия. Жасушалардың өсу шектелуінің жəне өсу шектелуін жəне өлуінің себептері. Үздіксіз дақыл микроорганизмдердің өсуі, өсудің математикалық көрсеткіші. Синхронды өсетін дақылдар, оларды алудың тəсілдері жəне маңызы. Микроорганизмдердің өсуін бақылау. Ортаның түрлі факторларына микроорганизмдердің қатынасы. Өсуіне температураның əсері. Психрофилдер, мезофилдер, термофилдер, олардың ерекшеліктері жəне температураға əртүрлі қатынасы болуының себептері. 
2. Клеткалық инженерияның мәселелері – биологияның екпінді өркендеп келе жатқан саласы. Биотехнологияда биологияның жəне басқа ғылымдардың көптеген салаларының бірлесуі. Биотехнологияның даму кезеңдері. Биотехнологияның объектілері мен əдістері. Биотехнология процестерінің əр алуандығы. Биотехнологияның негізгі бағыттары. Өсімдік биотехнологиясы жəне оның өзгешелігі. Биотехнологияның даму болашағы. Клеткалар мен ұлпаларды жасанды ортада өсіру əдісінің даму тарихы. Əдістің терминдері. Іn vіtro жағдайында өсірілетін өсімдік клеткаларынын ерекшеліктері жəне соның арқасында олардың биотехнологияға негізгі объектісі болуы. Өсімдік биотехнологиясының негізгі салалары. Өсімдік клеткаларын іn vіtro жағдайында өсірудін теориялық жəне əдістемелік негіздері. Клеткалардың қоректенуі. Қоректік орталардың жалпы сипаттамасы. Өсімдіктердің экономикалық маңызы зор заттарын өндірудің клеткалық технологиялары. Өсімдіктердің қосымша метаболиттері. Өсімдіктерді клондық микрокөбейтудің пайдасы. Клондық микрокөбейтудің əдістері. Қолтық бүршіктердің дамуын индукциялау. Гаплоидтардың селекциядағы маңызы. Тозаңқаптарды іn vіtro өсіріп гаплоидтарды алу. Клеткалық инженерия — өсімдіктердің түбегейлі жаңа фомаларын шығару жолы. Гендік инженерия – рекомбинанттық ДНҚ-ны құрастыру əдісі. Басқа организмге тасымалданатын қажетті генді бөліп алу. Іn vіtro гендер банкін жасау. Өсімдік клеткаларын мұздатып сақтау. Клеткаларды мұздатуға дайындау. Криопротекторлар. Мұздату мен сақтау. Еріту жəне криопротекторлардан тазарту.  Клеткаларды қайтадан өсіру жəне оларды талдау.

ӨСІМДІКТЕРДЕН МАҢЫЗДЫ ЗАТТАРДЫ ӨНДІРУДІҢ КЛЕТКАЛЫҚ  ТЕХНОЛОГИЯЛАРЫ 

Адам тірі организмдерді өзіне  қажет өнімдерді алу үшін ежелден  пайдаланып келеді. Мысалы, ауыл шаруашылығында жеке организмдер мен олардың  популяциялары қолданылады. Жалпы  айтқанда, бүкіл ауыл шаруашылығын биотехнология деп есептеуге  де болар еді. Себебі, бұл салада да биологиялық объектілер мен процесстер пайдаланылады. Жаңа биотехнологияда  керекті өнімдерді алу үшін in vitro жағдайында өсірілетін клеткалар (микроорганизмдер, өсімдіктер мен жануарлар клеткалары), клетка органоидтары, ферменттер мен  мультифермент жүйелері, гендік және клеткалық инженерия әдістерімен  құрастырылған жасанды тіршілік формалары қолданылады.

In vitro жағдайында өсірген өсімдік  клеткалары табиғи өсімдікке  тән биосинтездік қасиетін сақтайды, сондықтан оларды экономикалық  маңызы бар заттарды өндіру  үшін пайдалануға болады. Сөйтіп, өсімдік клеткаларын өнеркәсіпті  технологияларда қолданудың әр  түрлі жолдары бар. Маңызды  заттарды синтездеумен  қатар оларды тағы биотрансформацияға, яғни арзан заттарды басқа бағалы заттарға айналдыру үшін пайдаланады.

Өсімдіктерде алуан түрлі қосымша  заттар синтезделеді. Қосымша заттар деп аталса да олардың өсімдіктегі  зат алмасудағы орны зор. Олардың  көптегені медицинада, техникада, тамақ  және парфюмерия өнеркәсібінде, ауыл шаруашылығында кең пайдаланылады.

Маңызды заттарды синтездейтін клеткаларды  өсіру биотехнологияның жаңа саласы. Дағдылы биотехнологиялар бағалы биологиялық  активті заттарды алу үшін бүтін  организмдерді пайдаланса (өсімдіктерді, жануарларды), осы заманғы биотехнологиясы  ерікті немесе иммобилизденген өсімдік  клеткаларын өсіруге сүйенген клеткалық  технологияларға негізделген. Өсірілетін клеткаларды биосинтездік өнеркәсіпте  қолданудың 3 жолы бар: клеткалардың in vitro жағдайында биотрансформация жүргізуге  мүмкіншілігі болатындығы дәлелденген, яғни кейбір биологиялық активті  заттар арзан қарапайым бастаушы заттардан синтезделеді және бұл  қарапайым бастаушы заттар химиялық немесе микробиологиялық жолмен өзгертіле  алмайды, тек қана өсірілетін клеткалардың ферменттерінің ықпалымен ақырғы бағалы өнімге айналып кетеді.

Өсімдіктер көптеген маңызды заттардың  бірден бір қайнар көзі болып келеді. Бірақ өсімдік шикі затының қоры табиғатта таусылып бара жатыр. Осыны  еске алғанда, клеткалық техналогияардың  орны болашақта ерекше зор екенін түсінуге болады. Клеткалық техналогиялардың ғылыми лабораториялық зерттеулерден  соң өнеркәсіпте қолданылуы қазір  ғана басталып келе жатыр. Тиімділігі жоғары технологиялардың жасалуы өсімдіктерде қосымша зат алмасу процестерінің  генетикалық, биохимиялық, физиологиялық  реттелу жөніндегі теориялық  білімнің жетіспеушілігімен шектеліп тұр. Себебі бүтін өсімдіктегі зат алмасуында қосымша заттардың қызметі толық зерттеліп бітпеген. Көпшілігінің негізгі функциясы өсімдікті әр түрлі стресс факторларынан қорғау, яғни олар реттеушілер ретінде организмнің тіршілік әрекетін қамтамасыз етуі мүмкін. 1-ші кестеде қосымша метаболиттердің бүтін өсімдік клеткаларында синтезделу және жинақталу орны көрсетілген.

1-кесте. Қосымша метаболиттердің  клеткада синтезделу және жинақталу  орны 

In vitro жағдайында өсетін клеткалар – жаңа жасанды жүйе, оның ерекшеліктері әлі аз зерттелген. Кейде өсірген клеткалардың зат алмасудын филогенез тұрғысыннан бұрын дамыған өсімдіктер тобына тән немесе өсімдіктің ювенильді кезеңіне тән ерекшеліктері байқалады.

З. Б. Шамина қызметтестерімен әпиын  көкнар (Papaver somniferum) клеткаларын изогендік  өсімдіктер линиясынан шығарып алған. Сабақ ұшындағы меристема клеткаларын  бір мезгілде әр түрлі, бірақ жасы бірдей өсімдіктерден бөліп алып, бірдей ортада өсірді. Сондағы шыққан каллустардың өсу және алкалоидтарды  синтездеу жағынан айырмашылықтары  айтарлықтай болған.

А. Киннесли мен Д. Дугэлл екі темекі өсімдігінен (Nicotiana tabacum) шығарған каллустарда  никотин синтезін зерттеді. Сол екі  өсімдік бір бірінен тек никотин  мөлшерінен айырмашылығы болған, басқа  локустары изогендік еді. Никотинді  көбірек синтездейтін өсімдіктен шыққан каллус сол қабілетін сақтап қалған.

Өсірген клеткалардың қосымша метаболизмінде бүтін өсімдікпен салыстырғанда  едәуір өзгерістер пайда болуы мүмкін. Кейбір өсімдіктердің өсірген клеткаларында  бүтін өсімдікте кездеспейтін заттар анықталған, мысалы, рутада (Ruta graveolens) эдулинин мен рутакультин, стефанияда   (Stephania cepharanta) ароморин. Тегеурінгүлдің (Delphinium ajacis) өсірген клеткаларында стериндер құрамындағы компоненттердің саны бүтін өсімдіктен артық болған.   Andrographis paniculata клеткаларында бүтін өсімдіктен өзге сесквитерпендер табылған. Диоскореяның (Dioscorea deltoidea) тамырсабақ клеткаларында in vitro жағдайында стероид сапониндер мен стериндер құрамының алғашқы ұлпадан әжептәуір айырмашылығы болған.

М. Ценк қызметтестерімен ауксин активтілігі  бар 146 химиялық қоспалардың моринда (Morinda citrifolia) клеткаларының өсуіне және антрахинон түзілуіне әсерін зерттеген. Сол химиялық заттардың көбі клеткалардың жақсы өсуіне ықпал еткен. Ал тек  қана екеуі – α –нафтилсірке қышқылы мен 2,3,6-үшхлорбензой қышқылы  – клеткалардың өсуі мен бірге  оларда антрахинонның синтезіне  де жақсы ықпал еткен.

М.Айтқожин атындағы Молекулалық биология және биохимия институтындағы табиғи қосылыстардың алмасу энзимологиясы  лабораториясында профессор Р. Қонаеваның жетекшілігімен биологиялық активті  заттарға бай Қазақстанның эндемик  жабайы дәрілік өсімдігі жантақтың  (Alhagi kirghisorum) алғаш рет клеткалары  in vitro өсіріліп, фенолдық қосылыстардың химиялық құрамы зерттелді. Клеткаларды мутагендермен өңдеу нәтижесінде фенолдық қосылыстардың сапалық құрамы өзгерген клеткалар линиясы алынды. Стресс факторларының әсерінен (элиситорлар, гормондық және көмірсу құрамының өзгеруі)  in vitro жағдайында клеткаларда фенолдық қосылыстардың түзілу ретінің өзгеруі көрсетілді. Сонымен қатар өсірілген ұлпалар мен клеткаларда әр түрлі тұздану (хлоридтық, сульфаттық, карбонаттық, бораттық), осмостық стресс, ғарышқа ұшыру әсерінен фенолдық қосылыстардың алмасуы зерттелді. Стресс жағдайында фенолдық комплексінің сапалық құрамының өзгеретіндігі байқалып, in vitro клеткалардағы қорғаныш реакциясында фенол алмасуының негізгі ферменттері фенилаланинаммиак-лиаза және пероксидазаның басты роль атқаратыны анықталды.

Клеткаларды in vitro жағдайында өсірген  кезде олардың өсуі мен биосинтездеріне  өсіретін жүйелердің техникалық көрсеткіштерінің маңызы өте зор. Өсімдіктердің қосымша  заттарының биотехнология өндірісі көбнесе сұйық ортада өсетін  клеткаларга негізделген. Лаборатория жағдайында қосымша метаболизмді зерттеген кезде клеткалар әдеттегідей  колбаларда кішігірім көлемде (40-200мл)  өсіріледі және айналмалы тербеуішілерде араластырылады. Колбалардың айналу жылдамдығы (әдетінше минутына 90-120 айналым) клеткалардың өсуіне және метаболиттердің жинақталуына әсер етеді. Мысалы, итжидек пен үйеңкі клеткаларының  айналу жылдамдығы төмендегенде, олардың өсуі бәсеңдеген. Ал темекі клеткаларының өсуіне айналу жылдамдығы әсер етпеген, тіпті жылдам айналдыру арқасында оларда никотин синтезі арта түскен.