Генная инженерия и биотехнология

ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по теме «Генная  инженерия и биотехнология»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил Сонца И.С.

Студент гр. ПО913

 

 

Минск-2010

Содержание:

1. Генетическая инженерия.
1. Общие сведения о генетической инженерии.
2. Цели и методы генетической инженерии.
3. Ферменты генетической инженерии.
4. Достижения генетической инженерии.
5. Биоэтические аспекты генетической инженерии
2. Биотехнологии.
1. Возникновение биотехнологии
2. Основные направления биотехнологии
3. Практические достижения биотехнологии
4. Биологизация и экологизация
5. Перспективы развития биотехнологии

Генетическая инженерия

Общие сведения о генетической инженерии

Одним из разделов молекулярной генетики и молекулярной биологии, который  нашел наибольшее практическое приложение, является генная инженерия. Генная инженерия - это сумма методов, позволяющих переносить гены из одного организма в другой, или - это технология направленного конструирования новых биологических объектов.

Появившись 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. В настоящее время кишечная палочка стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин.

Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень  высока. Для получения 100г кристаллического инсулина требуется 800-1000кг поджелудочной  железы, а одна железа коровы весит 200-250грамм. Это делало инсулин дорогим  и труднодоступным для широкого круга диабетиков. Было показано, что выведенный инсулин не содержит белков кишечной палочки и других примесей, не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него не отличается.

Соматотропин - гормон роста  человека, секретируемый гипофизом. Недостаток этого гормона приводит к гипофизарной карликовости. Если вводить соматотропин в дозах 10 мг на 1 кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его недостатка, может подрасти на 6 см. Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4 - 6 мг соматотропина в пересчете на конечный фармацевтический препарат. Таким образом, доступные количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим способом, был неоднороден и мог содержать медленно развивающиеся вирусы. Компания "Genentec" в 1980 году разработала технологию производства соматотропина с помощью бактерий, который был лишен перечисленных недостатков. В 1982 году гормон роста человека был получен в культуре кишечной палочки и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР.

Цели и методы генетической инженерии

Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании  таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму  свойства, полезные для человека. На технологии рекомбинантных ДНК основано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью которых изучают  транскрипцию генов в тканях, локализацию генов в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (например, у человека и курицы). ДНК-зонды также используются в диагностике различных заболеваний.

Если гибридную ДНК  ввести в оплодотворенную яйцеклетку, могут быть получены трансгенные организмы, передающие мутантный ген потомками.

Генетическая трансформация  животных позволяет установить роль отдельных генов и их белковых продуктов как в регуляции  активности других генов, так и при  различных патологических процессах.

Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:

1) расщепление ДНК, выделение и манипуляции с отдельными генами;

2) быстрое секвенирование (определение последовательности) всех нуклеотидов в очищенном фрагменте ДНК, что позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им;

3) конструирование рекомбинантной ДНК;

4) гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические последовательности РНК или ДНК с большой точностью;

5) клонирование ДНК: амплификация вне живого организма с помощью цепной полимеразной реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;

6) введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы.

Ферменты генетической инженерии

Если с клетками и  клеточными органеллами можно работать микроманипуляторами, то никакие, даже самые мелкие микрохирургические инструменты не помогут при работе с макромолекулами ДНК и РНК. Только ферменты могут найти определенные последовательности нуклеотидов, «разрезать» там молекулу или, наоборот, закрыть пробел в цепи ДНК. Эти ферменты издавна находятся в клетке, выполняя работы по репликации (удвоению) ДНК при делении клетки, репарации повреждений (восстановлению целостности молекулы).

Задача генного инженера - подобрать фермент, который выполнил бы поставленные задачи, то есть смог бы работать с определенным участком нуклеиновой  кислоты. Следует отметить, что ферменты, применяемые в генной инженерии, лишены видовой специфичности, поэтому  экспериментатор может сочетать в единое целое фрагменты ДНК  любого происхождения в избранной им последовательности. Это позволяет генной инженерии преодолевать установленные природой видовые барьеры и осуществлять межвидовое скрещивание.

Ферменты, применяемые при  конструировании рекомбинантных ДНК, можно разделить на несколько  групп:

1. ферменты, с помощью которых получают фрагменты ДНК (рестриктазы);
2. ферменты, синтезирующие ДНК на матрице ДНК (полимеразы) или РНК (обратные транскриптазы);
3. ферменты, соединяющие фрагменты ДНК (лигазы);
4. ферменты, позволяющие осуществить изменение структуры концов фрагментов ДНК.

Достижения генетической инженерии

С помощью генетической инженерии созданы линии животных, устойчивых к вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными  для человека признаками.

Генная инженерия открыла  путь для производства продуктов  белковой природы путем введения в клетки микроорганизмов, искусственно синтезированных генов, где они  могут экспрессироваться (встраиваться) в состав гибридных молекул. Первой удачной попыткой такого рода стала  работа К. Итакуры и Г. Бойера по экспрессии в кишечной палочке химически синтезированного гена, кодирующего гормон млекопитающих - соматостатин. Ген соматостатина был получен на основе сведений о первичном строении этого пептидного гормона, состоящего всего из 14 аминокислот. Использованный в этой работе подход оказался весьма перспективным для получения и многих других пептидных гормонов.

В различных лабораториях в СССР и других стран были созданы подвиды кишечной палочки, синтезирующие в составе гибридных белков гормон роста человека (соматотропин) и пептидные гормоны. Ген гормона роста был встроен в плазмиду, реплицирующуюся в кишечной палочке. Трансформированные клетки продуцировали около 3 млн. молекул гормона роста человека на клетку. Этот полипептид, как было установлено в экспериментах на крысах, по функциям оказался полностью идентичен гормону роста человека.

В 1976г. Гилберт и Максам в Гарвардском университете, а  также Сэнгер разработали быстрый  метод химического анализа ДНК. Появилась реальная возможность определять последовательность до 1000 нуклеотидов в неделю силами одного исследователя. В 1982-1985гг. стало возможно создать прибор для автоматического анализа нуклеиновых кислот (а значит и генов).

Еще один важнейший этап - это синтез биополимеров по установленной  структуре. Первые коммерческие приборы, производящие автоматизированный синтез полипептидов, были разработаны на основе исследований Меррифилда в 1963г. Они используются в исследовательских лабораториях и в фармацевтической промышленности.

Получены и клонированы гены, кодирующие глобины человека, животных и птиц, белок хрусталика глаза быка, яичный белок, фиброин шелка, продуцируемый тутовым шелкопрядом, и др. Стало возможным получение, клонирование и экспрессия генов интерферона человека в бактериях. Интерферон - ценный лекарственный препарат, широко используемый для борьбы с вирусными инфекциями и лечения ряда других заболеваний, включая злокачественные опухоли. Интерферон вырабатывается в клетках животных и человека, но обладает выраженной видовой специфичностью. Ю. А. Овчинников и В. Г. Дебабов с сотрудниками получили микроорганизмы, эффективно синтезирующие интерфероны человека. Очищенный из клеток бактерий интерферон по своим физико-химическим и биологическим свойствам оказался близок интерферону, находящемуся в крови доноров.

К открытиям связанным  с достижениями генной инженерии нужно прибавить то, что огромная генетическая схема многоклеточного существа просчитана полностью. После восьми лет работы многих исследовательских групп удалось точно определить 97 миллионов пар нуклеотидов и их местонахождение в спирали ДНК, хранящей полную наследственную информацию микроскопического червячка Сaenorhabditis elegans длиной около миллиметра.

Хотя это очень маленький червь, с него без всякого преувеличения начинается новая эра в биологии. Геном этого кольчатого червя состоит из 97 миллионов пар нуклеотидов ДНК. Геном человека, согласно большинству оценок, - 3 миллиарда нуклеотидных пар. Разница в 30 раз. Однако именно эта работа, о которой идет речь, окончательно убедила даже самых закоренелых скептиков, что расшифровка строения всего генома человека не только возможна, но и достижима в ближайшие годы.

Естественно, расшифровать геном таких гигантских размеров, как у названной нематоды (97 миллионов  пар нуклеотидов ДНК), невозможно без огромной подготовительной работы. Ее завершили к 1989 году. Прежде всего, была построена физическая карта всего генома нематоды. Физическая карта представляет собой небольшие участки ДНК известной структуры (маркеры), расположенные на определенных расстояниях один от другого. С 1990 года началось само секвенирование. Его темп составлял в 1992 году 1 миллион пар нуклеотидов в год. Если бы такой темп сохранился, на расшифровку всего генома понадобилось бы почти 100 лет! Ускорить работы удалось простейшим способом - число исследователей в каждом центре возросло примерно до 100.

В лабораториях мира полным ходом идет расшифровка генома человека. Эта международная программа  была начата в 1989 году. Сейчас в разных странах мира, в лабораториях, разделивших между собой «фронт работ» (всего надо прочитать около трех миллиардов пар нуклеотидов), ежедневно расшифровывается более миллиона нуклеотидных пар, причем темп работ все ускоряется.

Программа «Геном человека», как уже говорилось, - программа  общечеловеческая. Каждая лаборатория, в какой бы стране она ни находилась, вносит в нее посильный вклад. И как только кому-то удается раскрыть структуру нового гена, эта информация немедленно поступает в Международный  банк данных, доступный каждому исследователю.

Сейчас трудно предсказать все возможности, которые будут реализованы в ближайшие несколько десятков лет.

Биоэтические аспекты  генной инженерии

В соответствии с рекомендациями Европейского комитета по генной инженерии (1984г.) все исследования, проводимые по рекомбинации ДНК должны быть в  обязательном порядке доведены до сведения экспертной комиссии по генной инженерии  тех стран, на территории которых  они проводятся. Это необходимо для  того, чтобы любую работу, грозящую опасностью человеку или среде обитания, можно было вовремя остановить или  изменить.

Большинство работ, связанных  с клонированием человеческого  материала, по мнению большинства экспертов, должно быть запрещено, как и работы по выращиванию химер и гибридов с помощью комбинаций генетического  материала, полученного от человека и животных. Такие работы должны расцениваться как преступление.

Пересадка генов с терапевтической  целью допустима только для соматических клеток. Генная пересадка зародышевых  клеток для иных целей, кроме терапевтических, должна быть, безусловно, запрещена.

Применение половых клеток для генного лечения будет  возможно только после получения  достоверных доказательств преимущества и безопасности такого лечения по сравнению с генной терапией соматических клеток.

Биотехнология

Возникновение биотехнологии

Биотехнология - это производственное использование биологических агентов  или их систем для получения ценных продуктов и осуществления целевых  превращений.

Биологические агенты в  данном случае - микроорганизмы, растительные или животные клетки, клеточные компоненты (мембраны клеток, рибосомы, митохондрии, хлоропласты), а также биологические  макромолекулы (ДНК, РНК, белки - чаще всего  ферменты). Биотехнология использует также вирусную ДНК или РНК  для переноса чу жеродных генов в клетки.