GENTECHNIK(syn. Gentechnik) - eine Forschungsrichtung in Molekularbiologie und Genetik, deren oberstes Ziel darin besteht, unter Verwendung von Labortechniken Organismen mit neuen Kombinationen erblicher Eigenschaften zu erhalten, einschließlich solcher, die in der Natur nicht vorkommen. Im Herzen von G. und. die Möglichkeit der gezielten Manipulation mit Bruchstücken von Nukleinsäuren aufgrund neuester Errungenschaften der Molekularbiologie und Genetik liegt. Zu diesen Errungenschaften gehört die Feststellung der Universalität des genetischen Codes (siehe), dh die Tatsache, dass in allen lebenden Organismen der Einbau derselben Aminosäuren in ein Proteinmolekül durch dieselben Nukleotidsequenzen in der DNA-Kette codiert wird; die Erfolge der genetischen Enzymologie, die dem Forscher eine Reihe von Enzymen zur Verfügung stellte, die es ermöglichen, einzelne Gene oder Fragmente von Nukleinsäuren in isolierter Form zu erhalten, um eine In-vitro-Synthese von Fragmenten von Nukleinsäuren durchzuführen, um sie zu kombinieren die erhaltenen Fragmente zu einem Ganzen. So die Veränderung der erblichen Eigenschaften des Organismus mit Hilfe G. Und. reduziert sich auf die Konstruktion neuen genetischen Materials aus verschiedenen Fragmenten, die Einführung dieses Materials in den Empfängerorganismus, die Schaffung von Bedingungen für sein Funktionieren und eine stabile Vererbung.

Eine der Möglichkeiten, Gene zu erhalten, ist chem. Synthese. Nachdem es Holly (A. Holli) in den USA, A. A. Baev in der UdSSR und anderen Forschern gelungen war, die Struktur verschiedener Transport-RBGK (tRNA) zu entschlüsseln, führten X. Koran et al. eine chem. Synthese von DNA, die Alanin-tRNA aus Bäckerhefe codiert.

Die effektivste Methode der künstlichen Gensynthese ist jedoch mit der Verwendung des Enzyms RNA-abhängige DNA-Polymerase (reverse Transkriptase) verbunden, das von Baltimore (D. Baltimore) und Temin (H. Temin) in onkogenen Viren entdeckt wurde (siehe). Dieses Enzym wurde aus Zellen isoliert und gereinigt, die mit bestimmten RNA-enthaltenden onkogenen Viren infiziert waren, einschließlich Vogel-Myeloblastose-Virus, Rous-Sarkom und Maus-Leukämie. Reverse Transkriptase sorgt für die DNA-Synthese auf der Boten-RNA (mRNA)-Matrize. Die Verwendung von mRNA-Molekülen als Matrizen für die DNA-Synthese erleichtert die künstliche Synthese einzelner Strukturgene höherer Organismen erheblich, da die Sequenz stickstoffhaltiger Basen in einem mRNA-Molekül eine exakte Kopie der Sequenz stickstoffhaltiger Basen der entsprechenden Strukturgene ist, und die Technik zur Isolierung verschiedener mRNA-Moleküle ist ziemlich weit entwickelt. Fortschritte bei der Isolierung von Globinprotein-mRNA, die Teil von menschlichem, tierischem und Vogel-Hämoglobin, Augenlinsenprotein-mRNA, Immunoglobin-mRNA, mRNA eines spezifischen bösartigen Tumorproteins (Myelom) ist, ermöglichten die Synthese des strukturellen Teils der Gene, die einige codieren dieser Proteine ​​unter Verwendung von reverser Transkriptase.

Im Körper wirken Strukturgene jedoch zusammen mit regulatorischen Genen, deren Nukleotidsequenz nicht durch das mRNA-Molekül reproduziert wird. Daher erlaubt keines dieser Verfahren die Synthese eines Satzes von strukturellen und regulatorischen Genen. Die Lösung dieses Problems wurde nach der Entwicklung von Methoden zur Isolierung einzelner Gene möglich. Um bakterielle Gene zu isolieren, werden kleine DNA-haltige zytoplasmatische Strukturen verwendet, die sich unabhängig vom Bakterienchromosom replizieren (siehe Replikation) können. Diese Strukturen bilden eine einzige Gruppe extrachromosomaler genetischer Elemente von Bakterien - Plasmide (siehe Plasmide). Einige von ihnen können in das bakterielle Chromosom eingeführt werden und dann beispielsweise spontan oder unter dem Einfluss von Induktionsmitteln. UV-Bestrahlung, bewegen sich vom Chromosom zum Zytoplasma und nehmen dabei die benachbarten chromosomalen Genzellen des Wirts mit. Extrachromosomale genetische Elemente von Bakterien mit solchen Eigenschaften werden als Episomen bezeichnet [F. Jacob, Wollman (E. Wollman)]. Episomen (siehe) umfassen moderate Phagen (siehe Bakteriophage), Sexualfaktor von Bakterien, Arzneimittelresistenzfaktoren von Mikroorganismen (siehe), bakteriozinogene Faktoren (siehe). Im Zytoplasma replizieren sich von Episomen eingefangene Gene in ihrer Zusammensetzung und bilden oft viele Kopien. Die Entwicklung eines effektiven Verfahrens zur Isolierung von Plasmiden, insbesondere von gemäßigten Phagen, die das genetische Material des Bakterienchromosoms tragen, und die Isolierung eines Fragments des Bakterienzellchromosoms, das im Bakteriophagengenom enthalten ist, ermöglichte es 1969 für J. Beckwith et al isolieren das Lactose-Operon, eine Gruppe von Genen, die Syntheseenzyme steuern, die für die Aufnahme von Lactose durch Escherichia coli erforderlich sind. Eine ähnliche Technik wurde verwendet, um das Gen zu isolieren und zu reinigen, das die Synthese von Escherichia coli-Tyrosin-Transfer-RNA steuert (siehe Ribonukleinsäuren).

Die Verwendung von Plasmiden ermöglicht es, praktisch beliebige bakterielle Gene in isolierter Form zu erhalten und damit die Möglichkeit, DNA-Moleküle aus verschiedenen Quellen zu konstruieren. Solche Hybridstrukturen können in beträchtlichen Mengen in Zellen akkumuliert werden, da sich viele Plasmide unter bestimmten Bedingungen intensiv im bakteriellen Cytoplasma replizieren und Dutzende, Hunderte und sogar Tausende von Kopien bilden.

G.s Erfolge und. verbunden mit der Entwicklung von Techniken zur Kombination genetischer Strukturen aus verschiedenen Quellen in einem einzigen DNA-Molekül. Ausschlaggebend für das Design von Hybridmolekülen in vitro war der Einsatz von Restriktionsendonucleasen – speziellen Enzymen, die in der Lage sind, DNA-Moleküle in genau definierten Bereichen zu schneiden. Solche Enzyme findet man in Escherichia coli-Zellen, die R-Typ-Plasmide tragen, die Bakterien gegen bestimmte Medikamente resistent machen, in Zellen von Haemophilus influenzae, Serratia marcescens und anderen Mikroorganismen. Eines der am häufigsten verwendeten Enzyme dieses Typs ist die EcoRI-Restriktionsendonuclease, die vom RI-Plasmid in E. coli-Zellen synthetisiert wird. Das Enzym erkennt einen DNA-Abschnitt mit einer einzigartigen Abfolge von sechs Basenpaaren und schneidet die doppelsträngige DNA-Struktur in diesem Abschnitt, sodass auf beiden Seiten einzelsträngige Enden von vier Nukleotiden entstehen (sog. Sticky Ends). Da das Enzym DNA-Moleküle, unabhängig von ihrer Herkunft, auf genau definierte Weise schneidet, haben alle DNA-Fragmente, die aus der Wirkung des Enzyms resultieren, die gleichen klebrigen Enden. Komplementäre klebrige Enden beliebiger DNA-Fragmente werden durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden und bilden eine hybride zirkuläre DNA (Abb.). Um das hybride DNA-Molekül zu stabilisieren, wird ein anderes Enzym verwendet - Polynukleotid-Ligase, das kovalente Bindungen wiederherstellt, die durch das Restriktionsenzym gebrochen wurden. Die von EcoRI spezifisch erkannte Sequenz kommt in der DNA nicht mehr als 4.000-16.000 Basenpaare voneinander entfernt vor. Daher kann ein unter der Wirkung von EcoRI gebildetes DNA-Fragment mindestens ein durch das Enzym unbeschädigtes Gen enthalten (im Durchschnitt enthält ein Gen 1000–1500 Basenpaare).

Die Verwendung von Restriktionsendonucleasen und einer Reihe anderer Enzyme ermöglicht es, komplexe rekombinante DNA zu erhalten. Einer Forschergruppe in den Vereinigten Staaten unter der Leitung von P. Berg gelang es, genetische Informationen aus drei Quellen als Teil eines einzigen DNA-Moleküls zu kombinieren: das vollständige Genom (siehe) des onkogenen Affenvirus SV40, Teil des Genoms des gemäßigten Bakteriophagen λ und die Gruppe von E. coli-Genen, die für die Assimilation von Galactose verantwortlich sind. Das entworfene rekombinante Molekül wurde nicht auf funktionelle Aktivität getestet, da die Autoren dieser Arbeit vor der potenziellen Gefahr der Ausbreitung onkogener Tierviren in der im menschlichen Darm lebenden Bakterienpopulation Halt machten. Es ist bekannt, dass die gereinigte DNA von Viren in verschiedene Säugerzellen eindringen und von diesen stabil vererbt werden kann.

Funktionell aktive DNA-Hybridmoleküle wurden erstmals in den USA von S. Cohen et al. konstruiert. Cohens Gruppe löste konsequent das Problem der Kombination und Klonierung (selektive Akkumulation) von DNA-Molekülen, die aus Arten isoliert wurden, die phylogenetisch immer weiter voneinander entfernt sind. Das Klonierungsverfahren besteht in der Regel darin, dass DNA aus verschiedenen Quellen mit Hilfe von Restriktionsendonukleasen fragmentiert, diese Fragmente dann in vitro zu einer gemeinsamen Struktur zusammengefügt und in den Empfängerorganismus, in Cohens Experimenten Escherichia coli, eingebracht werden. Es wurde festgestellt, dass Zellen mehrerer Bakterienarten (einschließlich Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus) unter Verwendung rekombinanter DNA-Moleküle transformiert werden können (siehe Transformation). Dabei dient der Plasmidteil des Hybridmoleküls (oder eines der Plasmide, falls zwei Plasmide aus unterschiedlichen Quellen in dem Hybridmolekül kombiniert sind) als Vektor, d.h. sorgt für den Transfer von stammesfremdem Erbgut in Empfängerzellen und seine Reproduktion in ihnen. Das erste von Cohen ua als Vektor verwendete Plasmid war das von ihm in vitro gewonnene Plasmid pSC101, das die Resistenz von Bakterien gegenüber Tetracyclin kontrolliert. Dieses kleine Plasmid ist nur 8000 bp lang. Es wird vom EcoRI-Enzym nur an einer Stelle angegriffen, und das Enzym beeinträchtigt nicht die Fähigkeit des Plasmids, sich in E. coli-Zellen zu replizieren und die Tetracyclin-Resistenz zu kontrollieren. Diese Eigenschaften machten es möglich, es für die Konstruktion von DNA-Hybridmolekülen in vitro zu verwenden. In den ersten Stadien wurde Plasmid-DNA, die aus verschiedenen Bakterienspezies und dann aus höheren Organismen isoliert wurde, an pSC101 angehängt. So wurden „chimäre“ Plasmide (d. h. unter natürlichen Bedingungen nicht vorkommende) geschaffen, die in ihrer Zusammensetzung das genetische Material von Escherichia coli, einem DNA-Abschnitt aus Eizellen des Krallenfrosches Xenopus laevis, kombinierten, der die Synthese von kontrolliert ribosomale RNA und ein DNA-Segment eines Seeigels, das die Synthese von Histonproteinen steuert, oder mitochondriale DNA der Maus. In den Zellen von Escherichia coli, in die solche hybriden, „chimären“ Plasmide eingeführt wurden, wurde die Arbeit der Gene höherer Organismen registriert.

Im Gegensatz zu pSC101, das in der Zelle nur in 4-6 Kopien vorhanden ist, können einige andere als Vektoren verwendete Plasmide unter bestimmten Bedingungen viele Male replizieren und mehrere tausend Kopien in einer Zelle bilden. Solche Eigenschaften besitzt beispielsweise das Plasmid ColEI, das die Synthese von Colicin steuert (siehe Bakteriozinogenese). Wie pSC101 wird ColEI durch das EcoRI-Enzym nur an einer Stelle gespalten, und Fremd-DNA, die ebenfalls mit EcoRI behandelt wurde, wird leicht an das resultierende lineare Molekül mit klebrigen Enden gebunden. So wurden die Gene des Tryptophan-Operons von Escherichia coli an ColEI "genäht". In Zellen, die viele Kopien des konstruierten Hybridplasmids trugen, nahm die Produktion von Enzymproteinen, die durch Tryptophan-Biosynthesegene kontrolliert werden, dramatisch zu. Im in vitro-System war es möglich, das ColEI-Plasmid an bestimmte R-Faktoren und einen temperenten Phagen zu binden. Solche Arbeiten wurden erstmals in der UdSSR unter der Leitung des Akademiemitglieds A. A. Baev und Professor S. I. Alikhanyan durchgeführt. Kombinierte Vektorplasmide aus ColEI und R-Faktoren können sich wie ColEI in Bakterienzellen intensiv vermehren und gleichzeitig die Resistenz von Zellen gegen Antibiotika bestimmen, was die Auswahl von Bakterien - Trägern von Hybridplasmiden - erheblich vereinfacht.

Temperente Phagen werden auch als Vektoren verwendet. Im In-vitro-System wurden hybride Bakteriophagen-Partikel konstruiert, die bakterielle Gene, DNA anderer Phagen oder höherer Organismen (z. B. DNA der Drosophila-Fruchtfliege) in ihrer Struktur enthalten.

Die funktionelle Aktivität von Hybrid-DNA wird durch die Möglichkeit ihres Transfers in die Zellen von Empfängerorganismen und die anschließende Vermehrung (Amplifikation) in diesen Zellen bestimmt. Als Rezipienten werden nicht nur Bakterien, wie oben erwähnt, sondern auch Zellen höherer Organismen bereits effektiv genutzt, bisher allerdings nur in Form einer außerhalb des Körpers gezüchteten Gewebekultur. Es gibt Hinweise darauf, dass die DNA von Phagen, die bakterielle Gene tragen, in menschliche Bindegewebszellen (Fibroblasten), in Protoplasten oder in eine undifferenzierte Kultur (Kallus) von Pflanzenzellen eindringen kann. 1971 Amer. Forscher Merril (S. R. Merril) et al. berichteten über Experimente zur Korrektur eines erblichen Defekts – Galaktosämie (siehe) durch Einführen von Galactose-Bakteriengenen, die in der DNA des transduzierenden Phagen enthalten sind, in „kranke“ Zellen. Als Ergebnis stellten die Zellen eines Patienten mit Galaktosämie, die das Enzym beta-D-Galactose-1-Phosphat-Uridyltransferase defekt hatten und nicht in der Lage waren, Galactose zu assimilieren, ihre normale Fähigkeit wieder her, in Gegenwart von Galactose zu wachsen, und zeigten zuvor keine enzymatische Aktivität in ihren Auszügen eingetragen. Ein ähnliches Ergebnis wurde von Horst (J. Horst) et al. mit der Einführung eines bakteriellen Gens erzielt, das die Synthese von Beta-Galactosidase in den Fibroblasten eines Patienten mit generalisierter Gangliosidose steuert, die durch einen schweren Mangel an diesem Enzym gekennzeichnet ist. Manion (W. Munyon) und seine Mitarbeiter. Unter Verwendung des Herpesvirus übertrugen sie das Gen, das die Synthese von Thymidinkinase steuert, von menschlichen Zellen auf Mauszellen und stellten so die Fähigkeit defekter Mausfibroblasten wieder her, dieses Enzym zu synthetisieren.

Eine der Möglichkeiten, genetische Informationen in die Kultur menschlicher, tierischer und pflanzlicher Zellen zu übertragen, ist die von Ephrussi (V. Ephrussi) und Barsky (G. Barski) entwickelte Hybridisierung somatischer Zellen. Die Wirksamkeit dieser Methode hat sich erheblich verbessert, seit festgestellt wurde, dass Partikel des inaktivierten Parainfluenzavirus vom Sendai-Typ die Häufigkeit der Zellfusion aus einer Vielzahl von Quellen erhöhen. Die Möglichkeit, einzelne Gene aus isolierten Chromosomen des Chinesischen Hamsters in Bindegewebszellen der Maus zu übertragen, wurde gezeigt. Es werden Hybride aus menschlichen und Mauszellen beschrieben, bei denen ein Teil der menschlichen Chromosomen entfernt wird, während der andere Teil funktionell aktiv bleibt. Die Entwicklung zellmikrochirurgischer Methoden ermöglichte es, Zellkerne aus somatischen Zellen in befruchtete Eizellen zu transplantieren und dadurch absolut identische Organismen zu erhalten. Durch Zellhybridisierung war es möglich, die Synthese von menschlichem Globin in Froschkeimzellen zu induzieren. All diese Beispiele zeigen das Potenzial von G. und.

Praktischer Wert von G. und. für die Medizin ist mit den Aussichten verbunden, erbliche Stoffwechselstörungen beim Menschen zu korrigieren (siehe Gentherapie), Mikroorganismen zu schaffen, die ihre Pathogenität verloren haben, aber die Fähigkeit zur Bildung von Immunität behalten haben, die Synthese von Antibiotika, Aminosäuren, Hormonen, Vitaminen, Enzymen, Immunglobuline usw., basierend auf der Verwendung von Mikroorganismen, die die entsprechenden Gene enthalten haben. Außergewöhnliche Ergebnisse können in naher Zukunft G. und erzielt werden. Pflanzen. Mit Hilfe der Methoden von G. und. Sie versuchen, Pflanzen zu schaffen, die atmosphärischen Stickstoff absorbieren und die Proteinzusammensetzung pflanzlicher Lebensmittel verbessern können. Die erfolgreiche Lösung dieser Probleme wird die Produktivität von Pflanzen dramatisch steigern, die Produktion und den Verbrauch von mineralischem Stickstoff reduzieren und dadurch die Umwelt erheblich verbessern (siehe). Untersucht wird die Möglichkeit, durch Überwindung interspezifischer Kreuzungsbarrieren völlig neue Formen von Tieren und Pflanzen zu schaffen. Jedoch bei der Einschätzung von G. und. Als neue Form der Erforschung von Wildtieren sollte man nicht nur ihre mögliche revolutionäre Rolle in Biologie, Medizin und Landwirtschaft berücksichtigen, sondern auch die Chancen, die sich im Zusammenhang mit ihrer Entwicklung für die Entstehung neuer Formen pathogener Mikroorganismen ergeben, die Gefahr von die Verbreitung von Hybrid-DNA in Populationen von Bakterien, die beim Menschen leben, Träger onkogener Viren usw. Natürlich ist die bewusste Nutzung der Errungenschaften der Wissenschaft, einschließlich G. und., für unmenschliche, menschenverachtende Zwecke nur in einer Gesellschaft möglich, in der das Gute des Menschen wird dem Gewinn und der Aggression geopfert.

Aus Zusatzmaterialien

Die Gentechnik ist nach wie vor eine sich schnell entwickelnde Forschungsmethode in der Molekularbiologie und Genetik. Es sei darauf hingewiesen, dass die Begriffe „Gentechnik“ und „Gentechnik“ nicht vollständig synonym sind, da die gentechnische Forschung nicht auf Manipulationen mit Genen als solchen beschränkt ist. Gegenwärtig ermöglichen gentechnische Methoden die tiefgreifendste und detaillierteste Analyse natürlicher Nukleinsäuren – Substanzen, die für die Speicherung, Übertragung und Implementierung genetischer Informationen verantwortlich sind (siehe Nukleinsäuren), sowie die Schaffung modifizierter oder vollständig neuer nicht in der Natur vorkommende Gene (siehe Gen), Kombinationen von Genen und exprimieren sie mit hoher Effizienz in einer lebenden Zelle (siehe Genexpression). Von den konkreten praktischen Errungenschaften der Gentechnologie im letzten Jahrzehnt sollte die wichtigste die Schaffung von Produzenten von biologisch aktiven Proteinen sein - Insulin (siehe), Interferon (siehe), Wachstumshormon (siehe Somatotropes Hormon) usw. ebenfalls wie die Entwicklung gentechnologischer Methoden die Aktivierung jener Glieder des Stoffwechsels, des Roggens mit der Bildung niedermolekularer biologischer Wirkstoffe verbindet. Auf diese Weise werden Produzenten bestimmter Antibiotika, Aminosäuren und Vitamine gewonnen, die um ein Vielfaches wirksamer sind als die Produzenten dieser Substanzen, die durch traditionelle Methoden der Genetik und Selektion gewonnen werden. Es werden Methoden entwickelt, um reine Proteinimpfstoffe gegen Hepatitis-, Influenza-, Herpes- und Maul- und Klauenseuche-Viren zu erhalten, die Idee, eine Impfung mit Vacciniavirus zu verwenden, wurde umgesetzt, in dessen Genom Gene für die Synthese von Proteinen kodieren anderer Viren (z. B. Hepatitis- oder Influenzaviren) eingebettet sind: Durch Impfungen mit einem so konstruierten Virus entwickelt der Körper eine Immunität nicht nur gegen Pocken, sondern auch gegen Hepatitis, Influenza oder andere durch dieses Virus verursachte Krankheiten, das protein to-rogo wird durch das eingebaute gen kodiert.

Die weltweite Sammlung von Restriktionsendonucleasen - Restriktasen, die wichtigsten "Werkzeuge" gentechnischer Manipulationen, ist erheblich gewachsen. Mehr als 400 Restriktionen "erkennen" ca. 100 spezifische Stellen (Sites) unterschiedlicher Struktur in DNA-Molekülen (siehe Desoxyribonukleinsäuren) und Aufspaltung der DNA-Polynukleotidkette an diesen Stellen. Unter Verwendung eines solchen Enzyms oder einer Kombination mehrerer Restriktionsenzyme kann fast jedes Gen als Teil eines oder mehrerer DNA-Fragmente (sog. Restriktionsfragmente) isoliert werden. Dies hat die Möglichkeiten der Gentechnik nicht nur in Bezug auf die Isolierung von Genen erweitert, sondern auch in Bezug auf die Aktivierung ihrer Arbeit, die Analyse der Struktur von Genen und ihrer molekularen Umgebung. Verfahren zur Synthese ganzer Gene mit einer vorgegebenen Sequenz von Nukleotiden wurden entwickelt, es ist möglich geworden, synthetisierte und natürliche Gene mit verschiedenen regulatorischen Nukleotidsequenzen zu versehen, einzelne Nukleotide in genau festgelegten Abschnitten eines Gens zu ersetzen, einzufügen, zu löschen, zu verkürzen oder seine Nukleotidkette mit einer Genauigkeit von einem Nukleotid vervollständigen.

Die Errungenschaft der Gentechnik war ihr Eindringen in die Organisation und Funktionsweise der Vererbungsmechanismen in den Zellen höherer Organismen, einschließlich des Menschen. An höheren Eukaryoten wurden die interessantesten Daten mit gentechnischen Methoden gewonnen. Der Erfolg der Gentechnik hängt weitgehend mit der Herstellung neuer spezialisierter Vektoren zusammen, die eine effiziente Klonierung (Vermehrung) einzelner DNA-Fragmente (Gene) und die Synthese von Proteinen ermöglichen, die von diesen Genen codiert werden.

Restriktionsfragmente, die mit DNA-Vektoren verbunden sind, werden in eine lebende Zelle kloniert, wobei die Fähigkeit solcher Vektoren genutzt wird, sich in einer Zelle in mehreren Kopien zu reproduzieren (zu replizieren). Abhängig von der Größe der zu klonierenden Fragmente und dem Zweck der Studie werden Vektoren einer von vier Arten verwendet - Plasmide (siehe), Phagen (siehe. Bakteriophage), Cosmide oder Derivate von Phagen mit einzelsträngiger DNA.

Zur Klonierung relativ kleiner DNA-Fragmente (bis zu 10.000 Basenpaare) werden Plasmidvektoren (pBR322, pAT 153, pUR250, pUC19 usw.) verwendet. Die Errungenschaft der Gentechnik in den letzten Jahren war die Herstellung von Vektoren auf der Basis des Phagen X (Charon 4A, gtwes-B), bei denen ein Teil des Genoms durch ein Fragment fremder DNA ersetzt wird. Das hybride Genom wird künstlich in eine Proteinhülle „verpackt“ und Bakterien mit diesem rekonstruierten Phagen infiziert. Der rekonstruierte Phage bildet während der Reproduktion mehrere tausend Kopien in der Zelle, lysiert sie und wird in das Kulturmedium freigesetzt. Mit Hilfe solcher Vektoren werden DNA-Fragmente von 10-25.000 Basenpaaren kloniert.

Cosmidvektoren (pIB8, MUA-3) sind ein Hybrid aus Phagen X und einem Plasmid. Sie enthalten die sog COS-Sequenzen von Phagen-DNA, die zum Verpacken von Phagengenomen in eine Proteinhülle erforderlich sind, und ein Segment von Plasmid-DNA, das es Cosmidvektoren ermöglicht, sich in Bakterien auf die gleiche Weise wie Plasmide zu replizieren. Das resultierende rekombinante Genom infiziert also Bakterien mit hoher Effizienz wie ein Bakteriophage, vermehrt sich aber in ihnen wie ein Plasmid, ohne den Tod einer Bakterienzelle zu verursachen. Cosmide werden zum Klonen von DNA-Fragmenten mit einer Länge von bis zu 35-45.000 Basenpaaren verwendet.

Die Vektoren, die Derivate von Phagen mit einzelsträngiger DNA (M13 mp8, M13, mp73 usw.) sind, werden auf der Basis des ringförmigen DNA-Moleküls des Bakteriophagen M13 konstruiert. Zum Einbetten von Fremd-DNA wird ein replikatives doppelsträngiges Phagen-DNA-Molekül verwendet. Ein Vektor, der ein fremdes DIC trägt, wird in Bakterienzellen eingeführt, wo sich die rekombinanten Moleküle vermehren, ohne diese Zelle zu lysieren, und als virales Partikel mit einem einzelsträngigen DNA-Molekül in das Kulturmedium "abknospen". Diese Vektoren werden verwendet, um DNA-Fragmente (bis zu 300-400 Basenpaare) zu klonieren.

Das für gentechnische Manipulationen erforderliche Gen wird durch Klonieren der geeigneten rekombinanten DNA-Moleküle und Selektieren solcher Klone erhalten. In den Fällen, in denen die Gene von höheren Organismen und Menschen geklont werden / die Expression von to-rykh in E. coli (am häufigsten für solche Zwecke verwendet) unmöglich ist, wird das Klonierungs- und Selektionsverfahren in mehreren Schritten durchgeführt. In der ersten Stufe wird ein sog eine Bibliothek von Genen aus DNA-Fragmenten (direkt aus dem Zellgenom geklont) oder aus klonierten DNA-Kopien (cDNA) der entsprechenden Boten-RNA. Durch den Vergleich der Struktur von Fragmenten genomischer DNA und der entsprechenden cDNA erhalten sie wichtige Informationen über die Organisation des Erbguts und bei Erbkrankheiten über die Art der Anomalien im Erbgut, die daraus resultieren Erkrankung. Aus der Genbibliothek ist es mit modernen Techniken möglich, das benötigte Gen mit den umliegenden Genomregionen zu extrahieren. Derzeit sind vollständige Bibliotheken von Genen vieler Mikroorganismen, Pflanzen und Tiere (bis hin zu Säugetieren und Menschen) erstellt worden. Mehrere hundert Gene und andere Nukleotidsequenzen in menschlicher DNA wurden bereits kloniert und teilweise untersucht.

Die Möglichkeiten der gentechnischen Forschung beschränken sich nicht darauf, ein Gen zu klonen und eine große Anzahl seiner Kopien zu erhalten. Häufig ist es erforderlich, ein Gen nicht nur zu klonieren, sondern auch dessen Expression in einer Zelle sicherzustellen, d.h. die darin enthaltene Information in die Aminosäuresequenz der Polypeptidkette des von diesem Gen kodierten Proteins einzubauen. Wenn ein in eine Bakterienzelle eingeführtes Gen aus Bakterien der gleichen (oder nahen) Spezies erhalten wird, dann kann es ausreichend sein, das Gen mit regulatorischen Elementen zu isolieren, die seine Expression steuern. Die regulatorischen Nukleotidsequenzen evolutionär entfernter Organismen sind jedoch bis auf wenige Ausnahmen nicht austauschbar. Um beispielsweise die Expression eines eukaryotischen Gens in E. coli-Zellen zu erreichen, wird daher die regulatorische Region daraus entfernt und der strukturelle Teil eines solchen Gens (in einem bestimmten Abstand) an die regulatorische Region angehängt des bakteriellen Gens. Bedeutende Fortschritte in der Entwicklung dieser Technik wurden nach der Entdeckung des Ba131-Nukleaseenzyms erzielt, das die einzigartige Eigenschaft besitzt, beide Ketten eines doppelsträngigen linearen DNA-Moleküls ausgehend vom Ende des Moleküls zu hydrolysieren, d ” Nukleotidsequenzen beliebiger Länge vom Ende des DNA-Fragments. Derzeit werden die strukturellen und regulatorischen Bereiche mit solchen Restriktasen getrennt isoliert, deren "Erkennungs"-Stellen am erfolgreichsten auf der Polynukleotidkette lokalisiert sind, dann werden die "überzähligen" Nukleotidsequenzen entfernt und der strukturelle Bereich des eukaryotischen Gens verbunden die regulatorische Region des bakteriellen Gens. Auf diese Weise kann nicht nur die Expression eukaryotischer Gene in Bakterienzellen erreicht werden, sondern umgekehrt bakterielle Gene in den Zellen höherer und niederer Eukaryoten.

Der Erfolg der Gentechnik hängt eng mit der Entwicklung und Verbesserung von Methoden zur Bestimmung der Nukleotidsequenz (Sequenzierung) in DNA-Molekülen zusammen. Eine beträchtliche Anzahl von Restriktasen, die den Forschern zur Verfügung stehen, ermöglicht es, bestimmte DNA-Fragmente mit absoluter Spezifität zu isolieren, und die Entwicklung und Verbesserung von Klonierungsverfahren ermöglicht es, Fragmente sogar einzigartiger Gene in Mengen zu erhalten, die für die Analyse erforderlich sind. DNA-Sequenzierungsverfahren haben sich als so effektiv erwiesen, dass häufig durch Bestimmung der DNA-Nukleotidsequenz Daten über die Nukleotidsequenz in den entsprechenden RNA-Molekülen und über die Abfolge von Aminosäureresten im synthetisierten Proteinmolekül gewonnen werden. Bei der Verarbeitung der Ergebnisse der DNA-Sequenzierung werden Computer häufig verwendet. Für eine vollständigere und schnellere Interpretation der erhaltenen experimentellen Daten werden nationale und internationale Computer-„Banken“ von Nukleotidsequenzen erstellt. Gegenwärtig sind die vollständigen Nukleotidsequenzen der Genome einer Reihe von bakteriellen Plasmiden und Viren bestimmt worden, und das Problem der Bestimmung der vollständigen Nukleotidsequenzen zuerst einzelner Chromosomen und dann des gesamten Genoms höherer Organismen, einschließlich des Menschen, besteht bereits gelöst werden.

Mit Hilfe gentechnischer Methoden wurden Abweichungen in der Struktur bestimmter Abschnitte menschlicher Gene gefunden, die die Ursache für Erbkrankheiten waren. Meistens ist diese Methode die sogenannte. b-Lot-Analyse. Die isolierte zelluläre DNA wird einer Restriktionsenzymhydrolyse unterzogen, die resultierenden Fragmente werden mittels Agarose- oder Polyacrylamid-Gelelektrophorese nach Größe getrennt. Die getrennten Fragmente werden auf speziell behandeltes Chromatographiepapier, Nitrozellulose- oder Nylonfilter übertragen ("nachgedruckt") und erneut einer elektrophoretischen Trennung unterzogen. Schneiden Sie Stellen aus Elektropherogrammen aus, die einzelnen Fraktionen entsprechen und denselben Typ von DNA-Fragmenten enthalten; Schnitte von Elektrophoregrammen werden mit einem zuvor klonierten Gen oder einem Teil davon oder mit einem chemisch gewonnenen inkubiert. Synthese durch eine Nukleotidsequenz, die eine radioaktive Markierung enthält. Die markierte DNA kontaktiert nur diejenigen Fragmente der analysierten zellulären DNA, die dazu komplementäre Nukleotidsequenzen aufweisen. Eine Veränderung der Verteilung und Menge einer fixierten Markierung im Vergleich zur Norm ermöglicht es, Umlagerungen im analysierten Gen oder daran angrenzenden Nukleotidsequenzen zu beurteilen.

Die "Erkennungsstellen" bestimmter Restriktasen im DNA-Molekül sind ungleichmäßig verteilt, daher wird das DNA-Molekül während der Hydrolyse durch diese Enzyme in eine Anzahl von Fragmenten unterschiedlicher Länge gespalten. Die Umordnung der DNA-Struktur, wodurch die vorhandenen „Erkennungs“-Stellen verschwinden oder erscheinen, führt zu einer Änderung des Satzes dieser Fragmente (der sogenannten Restriktionsfragmente), d. h. zum Erscheinen der Länge der Restriktionsfragmente Polymorphismus (GVDRF). Umlagerungen im DNA-Molekül können während der Synthese oder in der Struktur des kodierten Proteins Veränderungen verursachen oder auch nicht; Umlagerungen, die keine Änderungen verursachen, sind die Mehrheit, und sie verursachen einen normalen RFLP. Es stellte sich heraus, dass RFLP ein klares genetisches Merkmal ist. Derzeit ist die RFLP-Analyse zu einer der genauesten Methoden geworden, die in der Humangenetik und medizinischen Genetik verwendet werden. Für eine Reihe von Erbkrankheiten sind RFLP-Formen beschrieben, die direkt auf das Vorliegen einer Krankheit oder den Träger eines pathologisch veränderten Gens hinweisen.

Die Gentechnik markierte den Beginn einer neuen Forschungsrichtung, die als "Genetik in umgekehrter Richtung" bezeichnet wird. Die traditionelle genetische Analyse (siehe) wird in der folgenden Reihenfolge durchgeführt: Das Zeichen wird ausgewählt, die Verknüpfung eines Zeichens mit einer genetischen Determinante und die Lokalisierung dieser Determinante in Bezug auf bereits bekannte wird hergestellt. Bei der reversen Genetik läuft alles in umgekehrter Reihenfolge ab: Es wird ein DNA-Fragment mit unbekannter Funktion ausgewählt, die Verknüpfung dieses DNA-Fragments mit anderen Regionen des Genoms und seine Verbindung mit bestimmten Merkmalen hergestellt. Dieser Ansatz ermöglichte die Entwicklung von Methoden zur Früherkennung und Erkennung von Trägern solcher Krankheiten wie Chorea Huntington, Morbus Duchenne, Mukoviszidose, bei denen die biochemische Natur von Erbfehlern noch nicht bekannt ist. Unter Verwendung der genealogischen Methode zur Bestimmung der Muster der erblichen Übertragung von Chorea Huntington wurde gezeigt, dass das aus dem menschlichen Genom isolierte G8-DNA-Fragment eng mit dem Gen verbunden ist, das die Krankheit und die Form des RFLP-G8-Fragments in dieser Population bestimmt kann diese Krankheit diagnostizieren und Träger defekter Gene identifizieren.

Auf dem Weg zur Einführung gentechnischer Verfahren in die medizinische Praxis stehen noch viele technische Schwierigkeiten im Weg. Viele Laboratorien auf der ganzen Welt entwickeln aktiv praktisch geeignete gentechnische Diagnoseverfahren, und es ist zu hoffen, dass solche Verfahren in naher Zukunft Anwendung finden werden, wenn nicht für das massengenetische Screening (Screening) während der medizinischen Untersuchung der Bevölkerung, dann bei zumindest für eine Stichprobenerhebung von Risikogruppen für Erbkrankheiten.

Die Gentechnik ermöglicht es, natürliche Verbindungen und Verfahren nicht nur zu kopieren, sondern auch zu verändern und effizienter zu machen. Ein Beispiel dafür ist eine neue Forschungsrichtung namens Protein Engineering. Berechnungen, die auf der Grundlage von Daten über die Aminosäuresequenz und die räumliche Organisation von Proteinmolekülen durchgeführt wurden, zeigen, dass durch bestimmte Ersetzungen bestimmter Aminosäurereste in den Molekülen einer Reihe von Enzymen eine signifikante Steigerung ihrer enzymatischen Aktivität möglich ist. In einem isolierten Gen, das für die Synthese eines bestimmten Enzyms kodiert, wird durch gentechnische Methoden ein streng kontrollierter Austausch bestimmter Nukleotide durchgeführt. Bei der Synthese eines enzymatischen Proteins unter der Kontrolle eines solchen modifizierten Gens kommt es zu einem vorgeplanten Austausch streng definierter Aminosäurereste in der Polypeptidkette, was eine Steigerung der enzymatischen Aktivität um ein Vielfaches gegenüber der Aktivität eines natürlichen bewirkt Prototyp.

Im Bereich der Landwirtschaft soll die Gentechnik einen wesentlichen Beitrag zur Selektion neuer ertragreicher Pflanzensorten leisten, die gegen Dürre, Krankheiten und Schädlinge resistent sind, sowie zur Entwicklung neuer hochproduktiver Nutzpflanzensorten. Tiere.

Wie jede Errungenschaft der Wissenschaft können auch die Erfolge der Gentechnik nicht nur zum Nutzen, sondern auch zum Schaden der Menschheit eingesetzt werden. Eigens durchgeführte Studien haben gezeigt, dass die Gefahr einer unkontrollierten Verbreitung rekombinanter DNA nicht so groß ist wie bisher angenommen. Rekombinante DNA und sie tragende Bakterien erwiesen sich als sehr instabil gegenüber Umwelteinflüssen, nicht lebensfähig bei Mensch und Tier. Es ist bekannt, dass es in der Natur und ohne menschliches Eingreifen Bedingungen gibt, die einen aktiven Austausch genetischer Informationen ermöglichen, dies ist der sogenannte. Genfluss. Die Natur hat jedoch viele wirksame Barrieren gegen das Eindringen fremder genetischer Informationen in den Körper geschaffen. Derzeit ist es offensichtlich, dass bei der Arbeit mit den meisten rekombinanten DNA-Molekülen die üblichen Vorsichtsmaßnahmen völlig ausreichend sind, die zum Beispiel von Mikrobiologen bei der Arbeit mit infektiösem Material verwendet werden. Für besondere Fälle wurden wirksame Methoden entwickelt, um sowohl den biologischen Schutz als auch die physische Isolierung von Versuchsobjekten von Mensch und Umwelt zu gewährleisten. Daher wurden die sehr strengen ersten Versionen der Regeln für das Arbeiten mit rekombinanter DNA überarbeitet und deutlich gelockert. Was die bewusste Nutzung der Errungenschaften der Gentechnik zum Nachteil des Menschen betrifft, so müssen Wissenschaft und Öffentlichkeit aktiv dafür kämpfen, dass diese Gefahr nur theoretisch möglich bleibt.

Siehe auch Biotechnologie.

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L. S. Chernin, V. H. Kalinin.

Wirtschaftliche Bedeutung

Die Gentechnik dient dazu, die gewünschten Eigenschaften eines veränderten oder gentechnisch veränderten Organismus zu erreichen. Im Gegensatz zur traditionellen Züchtung, bei der das Erbgut nur indirekt verändert wird, ermöglicht die Gentechnik mit der Technik des molekularen Klonens einen direkten Eingriff in den genetischen Apparat. Anwendungsbeispiele der Gentechnik sind die Produktion neuer gentechnisch veränderter Nutzpflanzen, die Produktion von Humaninsulin mit gentechnisch veränderten Bakterien, die Produktion von Erythropoietin in Zellkultur oder neue Züchtungen von Versuchsmäusen für die wissenschaftliche Forschung.

Die Basis der mikrobiologischen, biosynthetischen Industrie ist die Bakterienzelle. Die für die industrielle Produktion notwendigen Zellen werden nach bestimmten Kriterien ausgewählt, von denen das wichtigste die Fähigkeit ist, eine bestimmte Verbindung - eine Aminosäure oder ein Antibiotikum, ein Steroidhormon oder eine organische Säure - in möglichst großen Mengen herzustellen und zu synthetisieren . Manchmal ist es notwendig, einen Mikroorganismus zu haben, der beispielsweise Öl oder Abwasser als „Nahrung“ nutzen und zu Biomasse oder sogar Protein verarbeiten kann, das sich gut für Futterzusatzstoffe eignet. Manchmal werden Organismen benötigt, die bei erhöhten Temperaturen oder in Gegenwart von Substanzen wachsen können, die für andere Arten von Mikroorganismen zweifellos tödlich sind.

Die Aufgabe, solche Industriestämme zu gewinnen, ist sehr wichtig, zu ihrer Modifikation und Selektion wurden zahlreiche Methoden der aktiven Beeinflussung der Zelle entwickelt - von der Behandlung mit starken Giften bis zur radioaktiven Bestrahlung. Der Zweck dieser Techniken ist derselbe - eine Veränderung des erblichen, genetischen Apparats der Zelle zu erreichen. Ihr Ergebnis ist die Produktion zahlreicher mutierter Mikroben, von denen Wissenschaftler dann versuchen, aus Hunderten und Tausenden die für einen bestimmten Zweck am besten geeignete auszuwählen. Die Schaffung von Techniken zur chemischen Mutagenese oder Strahlungsmutagenese war eine herausragende Errungenschaft in der Biologie und wird in der Moderne häufig verwendet Biotechnologie.

Ihre Fähigkeiten sind jedoch durch die Natur der Mikroorganismen selbst begrenzt. Sie sind nicht in der Lage, eine Reihe von wertvollen Substanzen, die sich in Pflanzen anreichern, vor allem medizinische und ätherische Öle, zu synthetisieren. Sie können Substanzen, die für das Leben von Tieren und Menschen sehr wichtig sind, eine Reihe von Enzymen, Peptidhormonen, Immunproteinen, Interferonen und viele andere einfach aufgebaute Verbindungen, die in Tieren und Menschen synthetisiert werden, nicht synthetisieren. Natürlich sind die Möglichkeiten der Mikroorganismen noch lange nicht ausgeschöpft. Von der Fülle an Mikroorganismen wurde bisher nur ein winziger Bruchteil von der Wissenschaft und insbesondere von der Industrie genutzt. Für die Zwecke der Mikroorganismenselektion von großem Interesse sind zum Beispiel anaerobe Bakterien, die in Abwesenheit von Sauerstoff leben können, Phototrophe, die Lichtenergie nutzen wie Pflanzen, Chemoautotrophe, thermophile Bakterien, die bei einer Temperatur leben können, wie sie kürzlich entdeckt wurde , von etwa 110 ° C usw.

Und doch liegen die Grenzen des „Naturmaterials“ auf der Hand. Sie versuchten und versuchen, die Beschränkungen mit Hilfe von Zellkulturen und Geweben von Pflanzen und Tieren zu umgehen. Das ist ein sehr wichtiger und vielversprechender Weg, der auch in umgesetzt wird Biotechnologie. In den vergangenen Jahrzehnten haben Wissenschaftler Methoden entwickelt, mit denen einzelne Zellen eines pflanzlichen oder tierischen Gewebes wie Bakterienzellen getrennt vom Körper wachsen und sich vermehren können. Das war eine wichtige Errungenschaft – die entstandenen Zellkulturen werden für Experimente und für die industrielle Produktion bestimmter Substanzen verwendet, die mit Bakterienkulturen nicht gewonnen werden können.

Entwicklungsgeschichte und erreichter Stand der Technik

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden mehrere wichtige Entdeckungen und Erfindungen gemacht, die zugrunde liegen Gentechnik. Langjährige Versuche, die in den Genen „aufgezeichnete“ biologische Information zu „lesen“, wurden erfolgreich abgeschlossen. Diese Arbeit wurde von dem englischen Wissenschaftler F. Sanger und dem amerikanischen Wissenschaftler W. Gilbert (Nobelpreis für Chemie) begonnen. Wie Sie wissen, enthalten Gene Informationen – Anweisungen für die Synthese von RNA-Molekülen und Proteinen im Körper, einschließlich Enzymen. Um eine Zelle dazu zu zwingen, neue, für sie ungewöhnliche Substanzen zu synthetisieren, ist es notwendig, dass die entsprechenden Enzymsätze in ihr synthetisiert werden. Und dazu ist es notwendig, entweder die Gene darin gezielt zu verändern oder neue, bisher fehlende Gene einzuführen. Veränderungen in Genen in lebenden Zellen sind Mutationen. Sie treten beispielsweise unter dem Einfluss von Mutagenen - chemischen Giften oder Strahlung - auf. Aber solche Veränderungen können nicht kontrolliert oder gesteuert werden. Deshalb haben Wissenschaftler ihre Bemühungen darauf konzentriert, Methoden zu entwickeln, um neue, sehr spezifische Gene, die ein Mensch braucht, in die Zelle einzubringen.

Die Hauptschritte zur Lösung des Gentechnikproblems sind wie folgt:

1. Erhalten eines isolierten Gens. 2. Einführung eines Gens in einen Vektor zur Übertragung auf einen Organismus. 3. Transfer eines Vektors mit einem Gen in einen modifizierten Organismus. 4. Umwandlung von Körperzellen. 5. Auswahl gentechnisch veränderter Organismen ( GVO) und Entfernen derjenigen, die nicht erfolgreich geändert wurden.

Der Prozess der Gensynthese ist derzeit sehr weit entwickelt und sogar weitgehend automatisiert. Es gibt spezielle Geräte, die mit Computern ausgestattet sind, in deren Speicher Programme zur Synthese verschiedener Nukleotidsequenzen gespeichert sind. Eine solche Vorrichtung synthetisiert DNA-Segmente mit einer Länge von bis zu 100-120 stickstoffhaltigen Basen (Oligonukleotide). Eine Technik ist weit verbreitet, die die Verwendung der Polymerase-Kettenreaktion für die DNA-Synthese, einschließlich mutanter DNA, erlaubt. Darin wird ein thermostabiles Enzym, DNA-Polymerase, zur Matrizensynthese von DNA verwendet, die als Keim für künstlich synthetisierte Nukleinsäurestücke - Oligonukleotide - verwendet wird. Das Reverse-Transkriptase-Enzym ermöglicht es, unter Verwendung solcher Primer (Primer) DNA auf einer aus Zellen isolierten Matrix von RNA zu synthetisieren. Auf diese Weise synthetisierte DNA wird als komplementäre (RNA) oder cDNA bezeichnet. Ein isoliertes, "chemisch reines" Gen kann auch aus einer Phagenbibliothek gewonnen werden. Dies ist der Name eines Bakteriophagenpräparats, in dessen Genom zufällige Fragmente des Genoms oder der cDNA eingefügt werden, die vom Phagen zusammen mit seiner gesamten DNA reproduziert werden.

Die Technik des Einschleusens von Genen in Bakterien wurde entwickelt, nachdem Frederick Griffith das Phänomen der bakteriellen Transformation entdeckt hatte. Dieses Phänomen basiert auf einem primitiven Sexualprozess, der in Bakterien mit dem Austausch kleiner Fragmente nicht-chromosomaler DNA, Plasmiden, einhergeht. Plasmidtechnologien bildeten die Grundlage für das Einbringen künstlicher Gene in Bakterienzellen.

Die Einführung eines vorgefertigten Gens in den Erbapparat pflanzlicher und tierischer Zellen war mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. In der Natur gibt es jedoch Fälle, in denen fremde DNA (eines Virus oder eines Bakteriophagen) in den genetischen Apparat einer Zelle aufgenommen wird und mit Hilfe ihrer Stoffwechselmechanismen beginnt, „ihr eigenes“ Protein zu synthetisieren. Wissenschaftler untersuchten die Merkmale der Einführung fremder DNA und verwendeten sie als Prinzip für die Einführung von genetischem Material in eine Zelle. Dieser Vorgang wird als Transfektion bezeichnet.

Werden Einzeller oder Kulturen vielzelliger Zellen verändert, beginnt hier das Klonen, also die Selektion der veränderten Organismen und ihrer Nachkommen (Klone). Bei der Aufgabe, Vielzeller zu gewinnen, werden Zellen mit verändertem Erbgut zur vegetativen Vermehrung von Pflanzen verwendet oder bei Tieren in die Blastozysten einer Leihmutter injiziert. Infolgedessen werden Jungtiere mit verändertem oder unverändertem Genotyp geboren, von denen nur diejenigen ausgewählt und untereinander gekreuzt werden, die die erwarteten Veränderungen aufweisen.

Anwendung in der wissenschaftlichen Forschung

Gentechnik wird, wenn auch in geringem Umfang, bereits eingesetzt, um Frauen mit einigen Arten von Unfruchtbarkeit eine Chance zu geben, schwanger zu werden. Verwenden Sie dazu die Eier einer gesunden Frau. Das Kind erbt somit den Genotyp von einem Vater und zwei Müttern.

Die Möglichkeit, bedeutendere Veränderungen im menschlichen Genom einzuführen, steht jedoch vor einer Reihe ernsthafter ethischer Probleme.

11. Juli 2008

Gentechnik(Gentechnik) - eine Reihe von Methoden und Technologien, einschließlich Technologien zur Gewinnung rekombinanter Ribonukleinsäuren und Desoxyribonukleinsäuren, zur Isolierung von Genen aus einem Organismus, zur Manipulation von Genen und deren Einführung in andere Organismen.

Die Gentechnik ist ein integraler Bestandteil der modernen Biotechnologie, ihre theoretische Grundlage ist die Molekularbiologie, die Genetik. Das Wesen der neuen Technologie liegt in der gezielten, nach vorgegebenem Programm erfolgenden Konstruktion molekulargenetischer Systeme außerhalb des Körpers (in vitro) mit anschließender Einbringung der geschaffenen Strukturen in einen lebenden Organismus. Dadurch wird ihre Aufnahme und Aktivität in diesem Organismus und in seinen Nachkommen erreicht. Die Möglichkeiten der Gentechnik - genetische Transformation, die Übertragung von fremden Genen und anderen materiellen Erbgutträgern in die Zellen von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen, die Herstellung von gentechnisch veränderten (gentechnisch veränderten, transgenen) Organismen mit neuen einzigartigen genetischen, biochemischen und physiologischen Eigenschaften Eigenschaften und Eigenschaften, tun diese strategische Ausrichtung.

Aus methodischer Sicht verbindet die Gentechnik grundlegende Prinzipien (Genetik, Zelltheorie, Molekularbiologie, Systembiologie), die Errungenschaften der modernsten postgenomischen Wissenschaften: Genomik, Metabolomik, Proteomik mit realen Errungenschaften in angewandten Bereichen: Biomedizin, Agrobiotechnologie , Bioenergetik, Biopharmakologie, Bioindustrie usw.

Die Gentechnik gehört (neben Biotechnologie, Genetik, Molekularbiologie und einigen anderen Lebenswissenschaften) zu den Naturwissenschaften.

Geschichtlicher Bezug

Die Gentechnik entstand dank der Arbeit vieler Forscher in verschiedenen Bereichen der Biochemie und Molekulargenetik. 1953 erstellten J. Watson und F. Crick ein doppelsträngiges DNA-Modell, um die Wende der 1950er und 1960er Jahre wurden die Eigenschaften des genetischen Codes aufgeklärt und Ende der 1960er Jahre wurde seine Universalität experimentell bestätigt. Es gab eine intensive Entwicklung der Molekulargenetik, deren Gegenstand E. coli, seine Viren und Plasmide waren. Es wurden Verfahren entwickelt, um hochgereinigte Präparate von intakten DNA-Molekülen, Plasmiden und Viren zu isolieren. Die DNA von Viren und Plasmiden wurde in biologisch aktiver Form in Zellen eingebracht, um deren Replikation und Expression der entsprechenden Gene sicherzustellen. 1970 isolierte G. Smith als Erster eine Reihe von Enzymen - Restriktasen, die für gentechnische Zwecke geeignet sind. G. Smith fand heraus, dass das aus Bakterien gewonnene gereinigte HindII-Enzym die Fähigkeit behält, Nukleinsäuremoleküle zu schneiden (Nukleaseaktivität), was für lebende Bakterien charakteristisch ist. Die Kombination von DNA-Restrictasen (zum Zerschneiden von DNA-Molekülen in bestimmte Bruchstücke) und bereits 1967 isolierten Enzymen - DNA-Ligasen (zum „Vernetzen“ von Bruchstücken in beliebiger Reihenfolge) kann zu Recht als das zentrale Bindeglied der Gentechnik bezeichnet werden.

So wurden Anfang der 1970er Jahre die Grundprinzipien der Funktionsweise von Nukleinsäuren und Proteinen in einem lebenden Organismus formuliert und die theoretischen Voraussetzungen für die Gentechnik geschaffen.

Akademiker A.A. Baev war der erste Wissenschaftler in unserem Land, der an das Versprechen der Gentechnik glaubte und die Forschung auf diesem Gebiet leitete. Gentechnik (nach seiner Definition) ist die In-vitro-Konstruktion von funktionell aktiven genetischen Strukturen (rekombinante DNA), oder anders ausgedrückt, die Schaffung künstlicher genetischer Programme.

Aufgaben und Methoden der Gentechnik

Es ist bekannt, dass die traditionelle Züchtung eine Reihe von Einschränkungen hat, die die Produktion neuer Tierrassen, Pflanzensorten oder Rassen von praktisch wertvollen Mikroorganismen verhindern:

1. Mangel an Rekombination bei nicht verwandten Arten. Es gibt starre Barrieren zwischen Arten, die eine natürliche Rekombination erschweren.
2. die Unfähigkeit, den Prozess der Rekombination im Körper von außen zu kontrollieren. Der Mangel an Homologie zwischen Chromosomen führt dazu, dass einzelne Abschnitte (und Gene) im Prozess der Bildung von Keimzellen nicht angefahren und ausgetauscht werden können. Dadurch wird es unmöglich, die notwendigen Gene zu übertragen und die optimale Kombination von Genen aus verschiedenen Elternformen im neuen Organismus sicherzustellen;
3. die Unmöglichkeit, die Merkmale und Eigenschaften der Nachkommen genau anzugeben, weil der Rekombinationsprozess ist statistisch.

Die natürlichen Mechanismen, die die Reinheit und Stabilität des Genoms eines Organismus schützen, sind mit klassischen Selektionsmethoden kaum zu überwinden.

Die Technologie zur Gewinnung genetisch veränderter Organismen (GVO) löst grundlegend die Probleme der Überwindung aller natürlichen und interspezies-Rekombinations- und Reproduktionsbarrieren. Im Gegensatz zur traditionellen Züchtung, bei der das Erbgut nur indirekt verändert wird, ermöglicht die Gentechnik mit der Technik des molekularen Klonens einen direkten Eingriff in den genetischen Apparat. Die Gentechnik ermöglicht es, mit beliebigen Genen, auch künstlich synthetisierten oder nicht verwandten Organismen, zu operieren, sie von einer Art auf eine andere zu übertragen und sie in beliebiger Reihenfolge zu kombinieren.

Die Technologie umfasst mehrere Stufen der GVO-Erzeugung:

1. Erhalten eines isolierten Gens.
2. Einbringen eines Gens in einen Vektor zur Integration in einen Organismus.
3. Übertragung eines Vektors mit einem Konstrukt auf einen modifizierten Empfängerorganismus.
4. Molekulares Klonen.
5. Auswahl von GVO.

Die erste Stufe – Synthese, Isolierung und Identifizierung von Ziel-DNA- oder RNA-Fragmenten und regulatorischen Elementen – ist sehr gut entwickelt und automatisiert. Ein isoliertes Gen kann auch aus einer Phagenbibliothek erhalten werden.

Die zweite Stufe ist die Schaffung in vitro (in vitro) eines genetischen Konstrukts (Transgen), das ein oder mehrere DNA-Fragmente (die die Aminosäuresequenz von Proteinen codieren) in Kombination mit regulatorischen Elementen enthält (letztere gewährleisten die Aktivität von Transgenen in der Körper). Als nächstes werden Transgene in die Vektor-DNA zum Klonen unter Verwendung von gentechnischen Werkzeugen - Restriktionsenzymen und Ligasen - eingefügt. Für die Entdeckung der Restriktasen wurden Werner Arber, Daniel Nathans und Hamilton Smith mit dem Nobelpreis (1978) ausgezeichnet. Als Vektor werden in der Regel Plasmide verwendet - kleine zirkuläre DNA-Moleküle bakteriellen Ursprungs.

Die nächste Stufe ist eigentlich die „genetische Veränderung“ (Transformation), d.h. Transfer des Konstrukts „Vektor-embedded DNA“ in einzelne lebende Zellen. Die Einführung eines fertigen Gens in den Erbapparat von Pflanzen- und Tierzellen ist eine komplexe Aufgabe, die gelöst wurde, nachdem die Merkmale der Einführung fremder DNA (Viren oder Bakterien) in den genetischen Apparat der Zelle untersucht wurden. Das Transfektionsverfahren wurde als Prinzip zum Einbringen von genetischem Material in eine Zelle verwendet.

Wenn die Transformation erfolgreich war, entstehen nach effizienter Replikation aus einer transformierten Zelle viele Tochterzellen, die ein künstlich erzeugtes genetisches Konstrukt enthalten. Grundlage für die Entstehung eines neuen Merkmals in einem Organismus ist die Biosynthese neuer Proteine ​​für den Organismus - transgene Produkte, zB Pflanzen - Resistenz gegen Dürre oder Schadinsekten bei gv-Pflanzen.

Bei einzelligen Organismen beschränkt sich der Prozess der genetischen Veränderung auf das Einfügen eines rekombinanten Plasmids, gefolgt von der Selektion modifizierter Nachkommen (Klone). Für höhere vielzellige Organismen, beispielsweise Pflanzen, ist der Einbau des Konstrukts in die DNA von Chromosomen oder Zellorganellen (Chloroplasten, Mitochondrien) mit anschließender Regeneration der ganzen Pflanze aus einer separaten isolierten Zelle auf Nährmedien zwingend erforderlich. Bei Tieren werden genotypveränderte Zellen in die Blastozide der Leihmutter eingebracht. Die ersten gv-Pflanzen wurden 1982 von Wissenschaftlern des Instituts für Pflanzenwissenschaften in Köln und Monsanto gewonnen.

Hauptrichtungen

Die postgenomische Ära im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts hat die Entwicklung der Gentechnik auf eine neue Stufe gehoben. Das sogenannte Kölner Protokoll „Towards a Knowledge-Based Bioeconomy“ definierte die Bioökonomie als „Transformation des Wissens der Lebenswissenschaften in neue, nachhaltige, umwelteffiziente und wettbewerbsfähige Produkte“. Die Roadmap für die Gentechnik umfasst mehrere Bereiche: Gentherapie, Bioindustrie, Technologien auf Basis tierischer Stammzellen, gentechnisch veränderte Pflanzen, gentechnisch veränderte Tiere usw.

gentechnisch veränderte Pflanzen

Fremde DNA kann auf verschiedene Weise in Pflanzen eingebracht werden.

Für zweikeimblättrige Pflanzen gibt es einen natürlichen Vektor für den horizontalen Gentransfer: Agrobacterium-Plasmide. Obwohl in den letzten Jahren gewisse Erfolge bei der Transformation von Monokotyledonen mit agrobakteriellen Vektoren erzielt wurden, stößt ein solcher Transformationsweg dennoch auf erhebliche Schwierigkeiten.

Für die Transformation von Pflanzen, die gegen Agrobakterien resistent sind, wurden Techniken für den direkten physikalischen Transfer von DNA in die Zelle entwickelt, darunter: Beschuss mit Mikropartikeln oder das ballistische Verfahren; Elektroporation; Verarbeitung mit Polyethylenglykol; Übertragung von DNA innerhalb von Liposomen usw.

Nachdem das Pflanzengewebe auf die eine oder andere Weise umgewandelt wurde, wird es in vitro auf ein spezielles Medium mit Phytohormonen gelegt, das die Zellreproduktion fördert. Das Medium enthält üblicherweise ein selektives Agens, gegen das transgene, aber nicht Kontrollzellen resistent werden. Die Regeneration durchläuft meist das Kallusstadium, wonach bei richtiger Medienauswahl die Organogenese (Sproßbildung) beginnt. Die gebildeten Triebe werden in ein Bewurzelungsmedium überführt, das häufig auch ein Selektionsmittel für eine strengere Selektion von transgenen Individuen enthält.

Die ersten transgenen Pflanzen (Tabakpflanzen mit eingefügten Genen aus Mikroorganismen) wurden 1983 erhalten. Die ersten erfolgreichen Feldversuche mit transgenen Pflanzen (Tabakpflanzen, die gegen eine Virusinfektion resistent sind) wurden bereits 1986 in den USA durchgeführt.

Nach Bestehen aller notwendigen Tests auf Toxizität, Allergenität, Mutagenität usw. Die ersten transgenen Produkte wurden 1994 in den USA vermarktet. Dies waren die verzögert reifenden Flavr-Savr-Tomaten von Calgen und die herbizidresistenten Sojabohnen von Monsanto. Bereits nach 1-2 Jahren bringen Biotech-Unternehmen eine Reihe von gentechnisch veränderten Pflanzen auf den Markt: Tomaten, Mais, Kartoffeln, Tabak, Sojabohnen, Raps, Zucchini, Radieschen, Baumwolle.

In der Russischen Föderation wurde 1990 die Möglichkeit gezeigt, transgene Kartoffeln durch bakterielle Transformation mit Agrobacterium tumefaciens zu erhalten.

Gegenwärtig beschäftigen sich Hunderte von kommerziellen Unternehmen auf der ganzen Welt mit einem Gesamtkapital von mehr als 100 Milliarden US-Dollar mit der Gewinnung und Erprobung gentechnisch veränderter Pflanzen. Die gentechnisch veränderte Pflanzenbiotechnologie ist bereits zu einer wichtigen Industrie für die Produktion von Lebensmitteln und anderen nützlichen Produkten geworden, die erhebliche Humanressourcen und Finanzströme anzieht.

In Russland unter der Leitung von Akademiker K.G. Skryabin (Zentrum „Bioengineering“ RAS) erhielt und charakterisierte die gentechnisch veränderten Kartoffelsorten Elizaveta plus und Lugovskoy plus, die gegen den Kartoffelkäfer resistent sind. Nach den Ergebnissen der Überprüfung durch den Föderalen Dienst für die Überwachung des Schutzes der Verbraucherrechte und des menschlichen Wohlergehens auf der Grundlage eines Gutachtens des Staatlichen Forschungsinstituts für Ernährung der Russischen Akademie der Medizinischen Wissenschaften haben diese Sorten die staatliche Registrierung bestanden. sind in das staatliche Register eingetragen und dürfen auf dem Territorium der Russischen Föderation importiert, hergestellt und in Verkehr gebracht werden.

Diese gv-Kartoffelsorten unterscheiden sich grundlegend von den üblichen durch das Vorhandensein eines integrierten Gens in ihrem Genom, das einen 100%igen Pflanzenschutz des Kartoffelkäfers ohne den Einsatz von Chemikalien bestimmt.

Die erste Welle von für den praktischen Einsatz zugelassenen transgenen Pflanzen enthielt zusätzliche Gene für Resistenz (gegen Krankheiten, Herbizide, Schädlinge, Verderb während der Lagerung und Belastungen).

Der derzeitige Entwicklungsstand der Pflanzengentechnik wird als „Metabolic Engineering“ bezeichnet. In diesem Fall besteht die Aufgabe nicht so sehr darin, bestimmte vorhandene Eigenschaften der Pflanze zu verbessern, wie in der traditionellen Züchtung, sondern der Pflanze beizubringen, völlig neue Verbindungen herzustellen, die in der Medizin, der chemischen Produktion und anderen Bereichen verwendet werden. Diese Verbindungen können zum Beispiel spezielle Fettsäuren, nützliche Proteine ​​mit einem hohen Gehalt an essentiellen Aminosäuren, modifizierte Polysaccharide, essbare Impfstoffe, Antikörper, Interferone und andere „Drogen“-Proteine, neue umweltfreundliche Polymere und vieles mehr sein. Die Verwendung transgener Pflanzen ermöglicht es, eine großtechnische und kostengünstige Produktion solcher Substanzen zu etablieren und sie dadurch einem breiten Konsum zugänglicher zu machen.

gentechnisch veränderte Tiere

Tierzellen unterscheiden sich erheblich von Bakterienzellen in ihrer Fähigkeit, fremde DNA zu absorbieren, daher bleiben Methoden und Techniken zum Einbringen von Genen in embryonale Zellen von Säugetieren, Fliegen und Fischen im Fokus der Gentechniker.

Das am besten genetisch untersuchte Säugetier ist die Maus. Der erste Erfolg geht auf das Jahr 1980 zurück, als D. Gordon und Mitarbeiter die Möglichkeit demonstrierten, fremde DNA in das Mausgenom einzuführen und zu integrieren. Die Integration war stabil und blieb bei den Nachkommen bestehen. Die Transformation erfolgt durch Mikroinjektion klonierter Gene in einen oder beide Vorkerne (Kern) eines frischen Embryos im Stadium einer Zelle (Zygote). Häufiger wird der vom Spermatozoon eingeführte männliche Vorkern gewählt, da er größer ist. Nach der Injektion wird das Ei sofort in den Eileiter der Adoptivmutter implantiert oder sich in Kultur bis zum Blastozystenstadium entwickeln gelassen, wonach es in die Gebärmutter implantiert wird.

Humane Interferon- und Insulingene, Kaninchen-β-Globin-Gen, Herpes-Simplex-Virus-Thymidinkinase-Gen und Maus-Leukämievirus-cDNA wurden so injiziert. Die Anzahl der pro Injektion verabreichten Moleküle reicht von 100 bis 300.000 und ihre Größe beträgt 5 bis 50 kb. Normalerweise überleben 10 - 30 % der Eier, und der Anteil der aus transformierten Eiern geborenen Mäuse variiert zwischen wenigen und 40 %. Somit beträgt der tatsächliche Wirkungsgrad etwa 10 %.

Durch dieses Verfahren wurden gentechnisch veränderte Ratten, Kaninchen, Schafe, Schweine, Ziegen, Kälber und andere Säugetiere gewonnen. In unserem Land wurden Schweine erhalten, die das Somatotropin-Gen tragen. Sie unterschieden sich in den Wachstumsraten nicht von normalen Tieren, aber die Stoffwechselveränderung wirkte sich auf den Fettgehalt aus. Bei solchen Tieren wurden die Prozesse der Lipogenese gehemmt und die Proteinsynthese aktiviert. Der Einbau von Insulin-like-Factor-Genen führte auch zu einer Veränderung des Stoffwechsels. Gentechnisch veränderte Schweine wurden geschaffen, um die Kette der biochemischen Umwandlungen des Hormons zu untersuchen, und als Nebenwirkung wurde das Immunsystem gestärkt.

Das stärkste proteinsynthetisierende System befindet sich in den Zellen der Brustdrüse. Wenn Sie die Gene fremder Proteine ​​unter die Kontrolle des Casein-Promotors stellen, wird die Expression dieser Gene stark und stabil sein, und das Protein wird sich in der Milch anreichern. Mit Hilfe von tierischen Bioreaktoren (transgene Kühe) wurde bereits Milch gewonnen, die das menschliche Protein Lactoferrin enthält. Dieses Protein soll zur Prävention gastroenterologischer Erkrankungen bei Menschen mit geringer Immunresistenz eingesetzt werden: AIDS-Patienten, Frühgeborene, Krebspatienten nach Strahlentherapie.

Eine wichtige Richtung der Transgenese ist die Produktion von krankheitsresistenten Tieren. Das Interferon-Gen, ein Schutzprotein, wurde in verschiedene Tiere eingeführt. Transgene Mäuse erhielten Resistenzen – sie wurden nicht krank oder wurden ein wenig krank, aber bei Schweinen wurde kein solcher Effekt festgestellt.

Anwendung in der wissenschaftlichen Forschung

Gen-Knockout ist die Technik, bei der ein oder mehrere Gene entfernt werden, wodurch die Funktion des Gens untersucht werden kann. Um Knockout-Mäuse zu erhalten, wird das resultierende gentechnisch veränderte Konstrukt in embryonale Stammzellen eingeführt, wo das Konstrukt einer somatischen Rekombination unterzogen wird und das normale Gen ersetzt, und die veränderten Zellen werden in die Blastozyste der Leihmutter implantiert. Pflanzen und Mikroorganismen werden auf ähnliche Weise ausgeknockt.

Künstliche Expression ist das Hinzufügen eines Gens zu einem Organismus, das er zuvor nicht hatte, auch mit dem Ziel, die Funktion von Genen zu untersuchen. Bildgebung von Genprodukten – wird verwendet, um den Ort eines Genprodukts zu untersuchen. Der Ersatz eines normalen Gens durch ein manipuliertes Gen, das mit einem Reporterelement fusioniert ist (z. B. das Gen für das grün fluoreszierende Protein), ermöglicht eine Visualisierung des Produkts der Genmodifikation.

Untersuchung des Expressionsmechanismus. Ein kleines DNA-Stück, das vor der kodierenden Region (Promotor) liegt und zur Bindung von Transkriptionsfaktoren dient, wird in den Körper eingebracht, danach wird ihm stattdessen ein Reportergen, zB GFP, nachgeordnet, das eine leicht nachweisbare Reaktion katalysiert sein eigenes Gen. Neben der Tatsache, dass die Funktion des Promotors in verschiedenen Geweben irgendwann deutlich sichtbar wird, ermöglichen solche Experimente, die Struktur des Promotors durch Entfernen oder Hinzufügen von DNA-Fragmenten zu untersuchen und künstlich zu verstärken Genexpression.

Biosicherheit gentechnischer Tätigkeiten

Bereits 1975 stellten Wissenschaftler auf der Asilomar-Konferenz weltweit die entscheidende Frage: Hätte das Aufkommen von GVO potenziell negative Auswirkungen auf die Biodiversität? Von diesem Moment an begann sich zusammen mit der rasanten Entwicklung der Gentechnik eine neue Richtung zu entwickeln - die Biosicherheit. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, zu bewerten, ob die Verwendung von GVO unerwünschte Auswirkungen auf die Umwelt sowie die Gesundheit von Mensch und Tier hat, und ihr Hauptziel besteht darin, den Weg für die Nutzung der Errungenschaften der modernen Biotechnologie zu ebnen und gleichzeitig die Sicherheit zu gewährleisten.

Die Biosicherheitsstrategie basiert auf wissenschaftlicher Forschung zu den Eigenschaften von GVO, Erfahrungen mit ihnen sowie Informationen über ihre beabsichtigte Verwendung und die Umgebung, in die sie eingeführt werden. Gemeinsame langfristige Bemühungen internationaler Organisationen (UNEP, WHO, OECD), Experten aus verschiedenen Ländern, einschließlich Russland, haben grundlegende Konzepte und Verfahren entwickelt: biologische Sicherheit, biologische Gefahr, Risiko, Risikobewertung. Erst nach erfolgreicher Durchführung des gesamten Kontrollzyklus wird eine wissenschaftliche Schlussfolgerung zur Biosicherheit von GVO erstellt. Im Jahr 2005 veröffentlichte die WHO einen Bericht, aus dem hervorgeht, dass gentechnisch veränderte Lebensmittel-registrierte Pflanzen genauso sicher zu essen sind wie ihre traditionellen Pendants.

Wie wird die Biosicherheit in Russland gewährleistet? Die Ratifizierung des „Übereinkommens über die biologische Vielfalt“ im Jahr 1995 kann als Beginn der Einbeziehung Russlands in das globale Biosicherheitssystem angesehen werden. Von diesem Moment an begann die Bildung eines nationalen Biosicherheitssystems, dessen Ausgangspunkt das Inkrafttreten des Bundesgesetzes der Russischen Föderation „Über die staatliche Regulierung im Bereich der Gentechnik“ (1996) war. Das Bundesgesetz legt die grundlegenden Konzepte und Prinzipien der staatlichen Regulierung und Kontrolle aller Arten von Arbeiten mit GVO fest. Das Bundesgesetz legt Risikostufen in Abhängigkeit von der Art des GVO und der Art der Arbeit fest, definiert geschlossene und offene Systeme, die Freisetzung von GVO usw.

In den letzten Jahren hat sich in Russland eines der strengsten Regulierungssysteme herausgebildet. Es ist außergewöhnlich, dass das System der staatlichen Regulierung von GVO 1996 präventiv begann, bevor echte gentechnisch veränderte Organismen zur Kommerzialisierung in Russland deklariert wurden (die ersten GVO – GV-Sojabohnen – wurden 1999 für die Verwendung in Lebensmitteln registriert). Die grundlegenden Rechtsinstrumente sind die staatliche Registrierung von gentechnisch veränderten Organismen sowie daraus gewonnener oder enthaltender Produkte, die zur Verwendung als Lebens- und Futtermittel bestimmt sind.

Um die aktuelle Situation zu verstehen, ist es wichtig, dass in den 25 Jahren, die seit der ersten Markteinführung von GV-Pflanzen vergangen sind, weder bei Tests noch bei der Vermarktung eine einzige verlässliche negative Auswirkung auf die Umwelt und die Gesundheit von Mensch und Tier festgestellt wurde verwenden. Nur eine der weltweiten Quellen - der Bericht der maßgeblichen Gesellschaft AGBIOS "Essential Biosafety" enthält mehr als 1000 Hinweise auf Studien, die belegen, dass aus biotechnologischen Pflanzen gewonnene Lebens- und Futtermittel genauso sicher sind wie traditionelle Produkte. Heute gibt es in Russland jedoch keinen Rechtsrahmen, der die Freisetzung von GV-Pflanzen sowie daraus gewonnener oder enthaltender Produkte in die Umwelt auf dem Territorium unseres Landes erlauben würde. Infolgedessen wird seit 2010 auf dem Territorium der Russischen Föderation keine einzige GV-Pflanze für kommerzielle Zwecke angebaut.

Laut der Prognose nach dem Kölner Protokoll (2007) wird sich bis 2030 die Einstellung gegenüber gv-Pflanzen hin zu einer Genehmigung ihrer Verwendung ändern.

Erfolge und Entwicklungsperspektiven

Gentechnik in der Medizin

Gesundheitsbedürfnisse, die Notwendigkeit, die Probleme der Bevölkerungsalterung zu lösen, bilden eine stetige Nachfrage nach gentechnisch hergestellten Arzneimitteln (mit einem Jahresumsatz von 26 Milliarden US-Dollar) und medizinischer Kosmetik aus pflanzlichen und tierischen Rohstoffen (mit einem Jahresumsatz von etwa 40 Milliarden US-Dollar). ).USA).

Unter den vielen Errungenschaften der Gentechnik, die in der Medizin angewendet wurden, ist die bedeutendste die Produktion von Humaninsulin im industriellen Maßstab.

Derzeit gibt es laut WHO etwa 110 Millionen Menschen auf der Welt mit Diabetes. Insulin, dessen Injektionen für Patienten mit dieser Krankheit indiziert sind, wird seit langem aus tierischen Organen gewonnen und in der medizinischen Praxis verwendet. Die Langzeitanwendung von tierischem Insulin führt jedoch zu irreversiblen Schäden an vielen Organen des Patienten aufgrund von immunologischen Reaktionen, die durch die Injektion von körperfremdem tierischem Insulin verursacht werden. Aber auch der Bedarf an tierischem Insulin wurde bis vor kurzem nur zu 60-70% gedeckt. Als erste praktische Herausforderung klonten Gentechniker das Insulin-Gen. Geklonte menschliche Insulingene wurden mit einem Plasmid in eine Bakterienzelle eingeführt, wo die Synthese eines Hormons begann, das natürliche mikrobielle Stämme niemals synthetisiert hatten. Seit 1982 produzieren Firmen in den USA, Japan, Großbritannien und anderen Ländern gentechnisch hergestelltes Insulin. In Russland wird die Gewinnung von gentechnisch hergestelltem Humaninsulin - Insuran - am Institut für Bioorganische Chemie durchgeführt. MM. Shemyakin und Yu.A. Ovchinnikov RAS. Heute wird Haushaltsinsulin in einer Menge produziert, die ausreicht, um Diabetiker in Moskau zu versorgen. Gleichzeitig wird die Nachfrage des gesamten russischen Marktes nach gentechnisch hergestelltem Insulin hauptsächlich durch Importlieferungen gedeckt. Der Weltmarkt für Insulin liegt derzeit bei über 400 Millionen Dollar, der Jahresverbrauch bei etwa 2500 kg.

Die Entwicklung der Gentechnik in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts bot Russland einen guten Start bei der Schaffung gentechnisch veränderter Mikroorganismenstämme mit gewünschten Eigenschaften - Produzenten biologisch aktiver Substanzen, bei der Entwicklung gentechnischer Methoden zur Rekonstruktion des genetischen Materials von Viren, bei der Herstellung von Arzneimitteln, auch unter Verwendung von Computersimulationen. Rekombinantes Interferon und darauf basierende Darreichungsformen für medizinische und veterinärmedizinische Zwecke, Interleukin (b-Leukin), Erythropoietin, wurden zur Produktionsreife gebracht. Trotz der wachsenden Nachfrage nach hochreinen Präparaten deckt die heimische Produktion von Immunglobulinen, Albumin und Plasmol 20% des Bedarfs des heimischen Marktes.

Es wird aktiv geforscht, um Impfstoffe zur Vorbeugung und Behandlung von Hepatitis, AIDS und einer Reihe anderer Krankheiten sowie konjugierte Impfstoffe der neuen Generation gegen die gesellschaftlich bedeutendsten Infektionen zu entwickeln. Polymer-Subunit-Impfstoffe einer neuen Generation bestehen aus hochgereinigten Schutzantigenen verschiedener Art und einem Träger - Polyoxidonium-Immunstimulans, das eine erhöhte spezifische Immunantwort bietet. Russland könnte auf der Grundlage seiner eigenen immunologischen Produktion Impfstoffe gegen die überwiegende Mehrheit der bekannten Infektionen bereitstellen. Lediglich die Herstellung eines Röteln-Impfstoffs fehlt vollständig.

Gentechnik für die Landwirtschaft

Die genetische Verbesserung von Nutz- und Zierpflanzen ist ein langer und kontinuierlicher Prozess, bei dem immer präzisere und vorhersagbarere Technologien zum Einsatz kommen. In einem wissenschaftlichen UN-Bericht (1989) heißt es: „Da molekulare Techniken am genauesten sind, haben diejenigen, die sie anwenden, mehr Vertrauen in die Eigenschaften, die sie den Pflanzen verleihen, und haben daher weniger wahrscheinlich unbeabsichtigte Auswirkungen als bei konventionellen Züchtungsmethoden .

In Ländern wie den USA, Argentinien, Indien, China und Brasilien, in denen großflächig gentechnisch veränderte Pflanzen angebaut werden, werden die Vorteile neuer Technologien bereits vielfach genutzt.

Neue Technologien sind auch für arme Bauern und Menschen in armen Ländern, insbesondere Frauen und Kinder, von großer Bedeutung. Zum Beispiel erfordern gentechnisch veränderte, schädlingsresistente Baumwolle und Mais viel weniger Insektizidanwendung (was die landwirtschaftliche Arbeit sicherer macht). Solche Pflanzen tragen zu höheren Erträgen, höheren Einkommen für die Landwirte, verringerter Armut und dem Risiko einer Vergiftung der Bevölkerung durch chemische Pestizide bei, was insbesondere in einer Reihe von Ländern zutrifft, darunter Indien, China, Südafrika und die Philippinen.

Die am häufigsten verwendeten gentechnisch veränderten Pflanzen sind diejenigen, die gegen die billigsten, am wenigsten giftigen und am häufigsten verwendeten Herbizide resistent sind. Durch den Anbau solcher Pflanzen können Sie einen höheren Ertrag pro Hektar erzielen, ermüdendes manuelles Jäten vermeiden, weniger Geld durch minimale oder direkte Bodenbearbeitung ausgeben, was wiederum zu einer geringeren Bodenerosion führt.

2009 wurden gentechnisch veränderte Pflanzen der ersten Generation durch Produkte der zweiten Generation ersetzt, was erstmals zu höheren Erträgen per se führte. Ein Beispiel für eine neue Klasse von Biotech-Pflanzen (an der viele Forscher gearbeitet haben) ist RReady2Yield™ Glyphosat-tolerante Sojabohne, die 2009 in den USA und Kanada auf mehr als 0,5 Millionen Hektar angebaut wurde.

Die Einführung der Gentechnik in die moderne Agrobiologie kann durch die folgenden Fakten aus einer Reihe ausländischer Expertenberichte veranschaulicht werden, darunter der jährliche Bericht des unabhängigen International Service for Monitoring the Application of Agrobiotechnologies (ISAAA), der von dem weltberühmten Experten Clive geleitet wird James (Claiv James): (www.isaaa.org)

Im Jahr 2009 wurden in 25 Ländern auf 134 Millionen Hektar (9 % der weltweit 1,5 Milliarden Hektar Ackerland) gentechnisch veränderte Pflanzen angebaut. Sechs EU-Länder (von 27) bauten Bt-Mais an, und im Jahr 2009 erreichte die Anbaufläche mehr als 94.750 ha. Analyse der weltwirtschaftlichen Wirkung des Einsatzes von Biotech-Pflanzen für den Zeitraum von 1996 bis 2008. weist eine Gewinnsteigerung von 51,9 Milliarden US-Dollar aus, die auf zwei Quellen zurückzuführen ist: Zum einen auf eine Reduzierung der Produktionskosten (50 %) und zum anderen auf eine deutliche Ausbeutesteigerung (50 %) in Höhe von 167 Millionen Tonnen.

Im Jahr 2009 betrug der Gesamtmarktwert von gentechnisch verändertem Saatgut weltweit 10,5 Milliarden US-Dollar. Der Gesamtkornwert von Biotech-Mais und -Sojabohnen sowie Baumwolle belief sich 2008 auf 130 Milliarden US-Dollar und wird voraussichtlich jährlich um 10-15 % wachsen.

Es wird geschätzt, dass bei vollständiger Einführung der Biotechnologie bis zum Ende des Zeitraums 2006-2015 das Einkommen aller Länder gemessen am BIP um 210 Milliarden US-Dollar pro Jahr steigen wird.

Beobachtungen, die seit der Einführung herbizidtoleranter Pflanzen in der Landwirtschaft gemacht wurden, sind überzeugende Beweise dafür, dass Landwirte in der Lage waren, Unkräuter effektiver zu bekämpfen. Gleichzeitig verlieren das Lockern und Pflügen der Felder als Mittel zur Unkrautbekämpfung an Bedeutung. Dadurch wird der Kraftstoffverbrauch des Traktors reduziert, die Bodenstruktur verbessert und Bodenerosion verhindert. Gezielte Insektizidprogramme für Bt-Baumwolle umfassen weniger Feldspritzungen und daher weniger Feldfahrten, was zu einer geringeren Bodenerosion führt. All dies trägt unwissentlich zur Einführung der konservierenden Bodenbearbeitungstechnologie bei, die darauf abzielt, die Bodenerosion, den Kohlendioxidgehalt und den Wasserverlust zu reduzieren.

Der aktuelle Stand der Wissenschaft ist gekennzeichnet durch einen integrierten Ansatz, die Schaffung einheitlicher technologischer Plattformen für ein breites Forschungsspektrum. Sie vereinen nicht nur Biotechnologie, Molekularbiologie und Gentechnik, sondern auch Chemie, Physik, Bioinformatik, Transkriptomik, Proteomik, Metabolomik.

Literatur-Empfehlungen
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Verknüpfungen
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GENTECHNIK, eine Reihe von Methoden der Biochemie und Molekulargenetik, mit deren Hilfe die gezielte Kombination genetischer Informationen beliebiger Organismen durchgeführt wird. Die Gentechnik ermöglicht es, natürliche Interspeziesbarrieren zu überwinden, die den Austausch genetischer Informationen zwischen taxonomisch entfernten Arten von Organismen verhindern, und Zellen und Organismen mit Kombinationen von Genen zu schaffen, die in der Natur nicht vorkommen, mit bestimmten vererbbaren Eigenschaften. Das Hauptobjekt des gentechnischen Einflusses ist der Träger der genetischen Information - Desoxyribonukleinsäure (DNA), deren Molekül normalerweise aus zwei Ketten besteht. Die strenge Spezifität der Paarung von Purin- und Pyrimidinbasen bestimmt die Eigenschaft der Komplementarität - die gegenseitige Entsprechung von Nukleotiden in zwei Ketten. Die Schaffung neuer Genkombinationen erwies sich aufgrund der grundlegenden Ähnlichkeit der Struktur von DNA-Molekülen in allen Arten von Organismen als möglich, und die tatsächliche Universalität des genetischen Codes gewährleistet die Expression fremder Gene (die Manifestation ihrer funktionellen Aktivität ) in jeder Art von Zelle. Dies wurde auch durch die Anhäufung von Wissen auf dem Gebiet der Nukleinsäurechemie, die Identifizierung molekularer Merkmale der Organisation und Funktionsweise von Genen (einschließlich der Etablierung von Mechanismen zur Regulierung ihrer Expression und der Möglichkeit, Gene der Wirkung von " fremde" regulatorische Elemente), die Entwicklung von DNA-Sequenzierungsmethoden, die Entdeckung der Polymerase-Kettenreaktion, die es ermöglichte, jedes DNA-Stück schnell zu synthetisieren. Wichtige Voraussetzungen für die Entstehung der Gentechnik waren: die Entdeckung von Plasmiden, die zur autonomen Replikation und zum Übergang von einer Bakterienzelle zur anderen fähig sind, und das Phänomen der Transduktion - die Übertragung bestimmter Gene durch Bakteriophagen, die es ermöglichte, das Konzept zu formulieren von Vektoren: Genträgermoleküle. Von großer Bedeutung bei der Entwicklung der gentechnischen Methoden waren Enzyme, die an der Transformation von Nukleinsäuren beteiligt sind: Restriktionsenzyme (erkennen genau definierte Sequenzen in DNA-Molekülen - Stellen - und "schneiden" die Doppelkette an diesen Stellen), DNA-Ligasen (binden kovalent einzelne DNA-Fragmente), Reverse Transkriptase (synthetisiert eine komplementäre DNA-Kopie oder cDNA auf einer RNA-Matrize) usw. Nur mit ihrer Anwesenheit ist die Schaffung künstlicher Strukturen zu einer technisch machbaren Aufgabe geworden. Enzyme werden verwendet, um einzelne DNA-Fragmente (Gene) zu erhalten und molekulare Hybride herzustellen - rekombinante DNA (recDNA) basierend auf der DNA von Plasmiden und Viren. Letztere liefern das gewünschte Gen an die Wirtszelle und sorgen dort für dessen Reproduktion (Klonierung) und die Bildung des endgültigen Genprodukts (seine Expression).

Prinzipien der Herstellung rekombinanter DNA-Moleküle. Der Begriff "Gentechnik" verbreitete sich, nachdem P. Berg und seine Mitarbeiter 1972 erstmals rekombinante DNA erhielten, bei der es sich um einen Hybrid aus DNA-Fragmenten eines Escherichia coli-Bakteriums, seinem Virus (Bakteriophage λ) und DNA des Affenvirus handelte SV40 angeschlossen (Abb. 1). 1973 verwendeten S. Cohen ua das Plasmid pSC101 und ein Restriktionsenzym (EcoRI), das es an einer Stelle so spaltet, dass kurze komplementäre einzelsträngige „Schwänze“ (meist 4-6 Nukleotide) entstehen die Enden eines doppelsträngigen DNA-Moleküls. Sie wurden "klebrig" genannt, weil sie sich paaren (sozusagen zusammenkleben) können. Wenn solche DNA mit fremden DNA-Fragmenten gemischt wurde, die mit demselben Restriktionsenzym behandelt wurden und dieselben klebrigen Enden aufwiesen, wurden neue Hybridplasmide erhalten, die jeweils mindestens ein fremdes DNA-Fragment enthielten, das in die EcoRI-Stelle des Plasmids eingeführt wurde (Fig. 2). Es zeigte sich, dass Fragmente verschiedener Fremd-DNA, die sowohl aus Mikroorganismen als auch aus höheren Eukaryoten gewonnen wurden, in solche Plasmide eingefügt werden können.

Die derzeitige Hauptstrategie zur Gewinnung von recDNA ist wie folgt:

1) DNA-Fragmente eines anderen Organismus, die bestimmte Gene oder künstlich gewonnene Nukleotidsequenzen enthalten, die für den Forscher von Interesse sind, werden in die DNA eines Plasmids oder Virus eingefügt, das sich unabhängig vom Chromosom vermehren kann;

2) die resultierenden Hybridmoleküle werden in empfindliche prokaryotische oder eukaryotische Zellen eingeführt, wo sie sich zusammen mit den darin eingebetteten DNA-Fragmenten replizieren (vermehren, amplifizieren);

3) Selektieren Sie Zellklone in Form von Kolonien auf speziellen Nährmedien (oder Viren in Form von Clearing-Zonen – Plaques auf einer Schicht aus kontinuierlichem Wachstum von Bakterienzellen oder tierischen Gewebekulturen), die die gewünschten Typen von recDNA-Molekülen enthalten, und unterwerfen Sie sie eine umfassende Struktur- und Funktionsstudie. Um die Selektion von Zellen zu erleichtern, in denen recDNA vorhanden ist, werden Vektoren verwendet, die einen oder mehrere Marker enthalten. In Plasmiden können beispielsweise Antibiotikaresistenzgene als solche Marker dienen (die Selektion von Zellen, die recDNA enthalten, erfolgt nach ihrer Fähigkeit, in Gegenwart des einen oder anderen Antibiotikums zu wachsen). RecDNAs, die die gewünschten Gene tragen, werden ausgewählt und in Empfängerzellen eingeführt. Ab diesem Moment beginnt das molekulare Klonen - das Erhalten von Kopien von recDNA und folglich von Kopien der Zielgene in ihrer Zusammensetzung. Nur wenn es möglich ist, alle transfizierten oder infizierten Zellen zu trennen, wird jeder Klon durch eine separate Zellkolonie repräsentiert und eine bestimmte recDNA enthalten. In der Endphase erfolgt die Identifizierung (Suche) von Klonen, die das gewünschte Gen enthalten. Es basiert auf der Tatsache, dass die Insertion in recDNA einige einzigartige Eigenschaften der sie enthaltenden Zelle bestimmt (zum Beispiel das Expressionsprodukt des eingefügten Gens). Bei Experimenten zum molekularen Klonen werden zwei Grundprinzipien beachtet: Keine der Zellen, in denen das RecDNA-Klonen stattfindet, sollte mehr als ein Plasmidmolekül oder Viruspartikel erhalten; letzteres muss replizierbar sein.

Als Vektormoleküle in der Gentechnik werden verschiedenste Plasmid- und virale DNA verwendet. Die beliebtesten Klonierungsvektoren enthalten mehrere genetische Marker und haben einen Angriffsort für verschiedene Restriktasen. Solche Anforderungen werden zum Beispiel am besten durch das Plasmid pBR322 erfüllt, das aus dem ursprünglich natürlich vorkommenden Plasmid unter Verwendung der Methoden konstruiert wurde, die beim Arbeiten mit recDNA verwendet werden; es enthält Gene für Resistenz gegen Ampicillin und Tetracyclin sowie eine Erkennungsstelle für 19 verschiedene Restriktasen. Ein Spezialfall von Klonierungsvektoren sind Expressionsvektoren, die neben der Amplifikation für die korrekte und effiziente Expression fremder Gene in Empfängerzellen sorgen. Molekulare Vektoren können in manchen Fällen für die Integration fremder DNA in das Genom einer Zelle oder eines Virus sorgen (sogenannte integrative Vektoren).

Eine der wichtigsten Aufgaben der Gentechnik ist die Schaffung von Bakterien- oder Hefestämmen, Zelllinien von tierischen oder pflanzlichen Geweben sowie transgenen Pflanzen und Tieren (siehe Transgene Organismen), die die effiziente Expression von einklonierten Genen gewährleisten würden Sie. Eine hohe Proteinproduktion wird erreicht, wenn die Gene in Multicopy-Vektoren kloniert werden, weil in diesem Fall ist das Zielgen in großer Zahl in der Zelle vorhanden. Es ist wichtig, dass die kodierende DNA-Sequenz unter der Kontrolle eines Promotors steht, der effektiv von der RNA-Polymerase der Zelle erkannt wird, und dass die resultierende mRNA relativ stabil und effizient translatiert ist. Außerdem sollte ein in Empfängerzellen synthetisiertes fremdes Protein nicht schnell durch intrazelluläre Proteasen abgebaut werden. Bei der Erzeugung transgener Tiere und Pflanzen wird häufig eine gewebespezifische Expression der eingebrachten Zielgene erreicht.

Da der genetische Code universell ist, wird die Möglichkeit der Genexpression nur durch das Vorhandensein von Signalen für die Initiierung und Beendigung der Transkription und Translation in seiner Zusammensetzung bestimmt, die von der Wirtszelle korrekt erkannt werden. Da die meisten Gene höherer Eukaryoten eine diskontinuierliche Exon-Intron-Struktur aufweisen, wird durch die Transkription solcher Gene eine Boten-RNA-Vorstufe (Prä-mRNA) gebildet, aus der beim anschließenden Spleißen nicht kodierende Sequenzen - Introns werden gespalten und reife mRNA wird gebildet. Solche Gene können nicht in Bakterienzellen exprimiert werden, denen ein Spleißsystem fehlt. Um dieses Hindernis zu überwinden, wird auf reifen mRNA-Molekülen mittels reverser Transkriptase eine DNA-Kopie (cDNA) synthetisiert, zu der mittels DNA-Polymerase ein zweiter Strang vervollständigt wird. Solche DNA-Fragmente, die der codierenden Sequenz von Genen entsprechen (nicht mehr durch Introns getrennt), können in einen geeigneten molekularen Vektor inseriert werden.

In Kenntnis der Aminosäuresequenz des Zielpolypeptids ist es möglich, die Nukleotidsequenz, die es kodiert, zu synthetisieren, das sogenannte äquivalente Gen zu erhalten und es in den geeigneten Expressionsvektor einzufügen. Bei der Erstellung eines äquivalenten Gens berücksichtigt man normalerweise die Eigenschaft der Degeneration des genetischen Codes (20 Aminosäuren werden von 61 Codons codiert) und die Häufigkeit des Auftretens von Codons für jede Aminosäure in den Zellen, in denen dieses Gen vorgesehen ist eingeführt werden, da sich die Zusammensetzung von Codons in verschiedenen Organismen erheblich unterscheiden kann. Richtig ausgewählte Codons können die Produktion des Zielproteins in der Empfängerzelle signifikant steigern.

Der Wert der Gentechnik. Die Gentechnik hat die experimentellen Grenzen der Molekularbiologie stark erweitert, da es möglich geworden ist, fremde DNA in verschiedene Zelltypen einzuführen und ihre Funktionen zu untersuchen. Dadurch war es möglich, allgemeine biologische Muster der Organisation und Expression genetischer Informationen in verschiedenen Organismen aufzudecken. Dieser Ansatz hat Perspektiven für die Schaffung grundlegend neuer mikrobiologischer Produzenten von biologisch aktiven Substanzen sowie von Tieren und Pflanzen eröffnet, die funktionell aktive Fremdgene tragen. Viele zuvor unzugängliche biologisch aktive Proteine ​​des Menschen, einschließlich Interferone, Interleukine, Peptidhormone und Blutfaktoren, wurden in großen Mengen in Bakterien-, Hefe- oder Säugetierzellen produziert und finden in der Medizin breite Anwendung. Darüber hinaus wurde es möglich, Gene künstlich zu erzeugen, die chimäre Polypeptide kodieren, die die Eigenschaften von zwei oder mehr natürlichen Proteinen haben. All dies gab der Entwicklung der Biotechnologie einen starken Impuls.

Die Hauptobjekte der Gentechnik sind die Bakterien Escherichia coli (Escherichia coli) und Bacilltis subtilis (Heubakterien), die Bäckerhefe Saccharomices cerevisiae, verschiedene Säugetierzelllinien. Die Palette der gentechnischen Wirkungsobjekte wird ständig erweitert. Forschungsgebiete zur Erzeugung transgener Pflanzen und Tiere werden intensiv entwickelt. Die neuesten Generationen von Impfstoffen gegen verschiedene Infektionserreger werden mit gentechnischen Methoden hergestellt (die erste wurde auf der Basis von Hefe hergestellt, die das Oberflächenprotein des menschlichen Hepatitis-B-Virus produziert). Viel Aufmerksamkeit wird der Entwicklung von Klonierungsvektoren auf der Basis von Säugetierviren und deren Verwendung zur Herstellung von polyvalenten Lebendimpfstoffen für die Bedürfnisse der Veterinärmedizin und der Medizin sowie von molekularen Vektoren für die Gentherapie von Krebstumoren und Erbkrankheiten geschenkt. Zur direkten Einführung von recDNA in menschliche und tierische Organismen wurde ein Verfahren entwickelt, das die Produktion von Antigenen verschiedener Infektionserreger in deren Zellen steuert (DNA-Vakzinierung). Der neueste Trend in der Gentechnik ist die Schaffung von essbaren Impfstoffen auf der Grundlage von transgenen Pflanzen wie Tomaten, Karotten, Kartoffeln, Mais, Salat usw., die immunogene Proteine ​​von Infektionserregern produzieren.

Ängste im Zusammenhang mit der Durchführung gentechnischer Experimente. Kurz nach den ersten erfolgreichen Experimenten zur Gewinnung von recDNA schlug eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von P. Berg vor, eine Reihe gentechnischer Experimente einzuschränken. Diese Befürchtungen basierten auf der Tatsache, dass die Eigenschaften von Organismen, die fremde genetische Informationen enthalten, schwer vorherzusagen sind. Sie können unerwünschte Anzeichen annehmen, das ökologische Gleichgewicht stören, zur Entstehung und Verbreitung ungewöhnlicher Krankheiten bei Menschen, Tieren und Pflanzen führen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass menschliche Eingriffe in den genetischen Apparat lebender Organismen unmoralisch sind und unerwünschte soziale und ethische Folgen haben können. 1975 wurden diese Probleme auf einer internationalen Konferenz in Asilomar (USA) diskutiert. Seine Teilnehmer kamen zu dem Schluss, dass es notwendig ist, gentechnische Methoden weiter anzuwenden, jedoch unter der obligatorischen Einhaltung bestimmter Regeln und Empfehlungen. Anschließend wurden diese in einer Reihe von Ländern etablierten Regeln erheblich gelockert und auf in der mikrobiologischen Forschung übliche Methoden reduziert, die Schaffung spezieller Schutzvorrichtungen, die die Ausbreitung biologischer Arbeitsstoffe in der Umwelt verhindern, die Verwendung sicherer Vektoren und Empfängerzellen, die vermehren sich nicht unter natürlichen Bedingungen.

Oftmals wird unter Gentechnik nur das Arbeiten mit recDNA verstanden, und die Begriffe „molekulares Klonen“, „DNA-Klonen“, „Genklonen“ werden als Synonyme für Gentechnik verwendet. Alle diese Begriffe spiegeln jedoch nur den Inhalt einzelner gentechnischer Eingriffe wider und sind daher nicht mit dem Begriff „Gentechnik“ gleichzusetzen. In Russland wird der Begriff „Gentechnik“ häufig als Synonym für Gentechnik verwendet. Der semantische Inhalt dieser Begriffe ist jedoch ein anderer: Gentechnik zielt darauf ab, Organismen mit einem neuen genetischen Programm zu schaffen, während der Begriff "Gentechnik" erklärt, wie dies geschieht - durch Manipulation von Genen.

Lit.: Shchelkunov S. N. Klonen von Genen. Novosib., 1986; er ist. Gentechnik. 2. Aufl., Novosib., 2004; Watson J., Tooze J., Kurtz D. Rekombinante DNA. M., 1986; DNA-Klonen. Methoden. M., 1988; Neu in der DNA-Klonierung: Methoden. M., 1989.

1. Möglichkeiten der Gentechnik. vier

2. Geschichte der Gentechnik. 6

3. Gentechnik als Wissenschaft. Methoden der Gentechnik. zehn

4. Anwendungsgebiete der Gentechnik. 12

5. Wissenschaftliche Fakten über die Gefahren der Gentechnik. achtzehn

Fazit. 22

Referenzen.. 23

Einführung

Das Thema Gentechnik ist in den letzten Jahren immer beliebter geworden. Die negativen Folgen, zu denen die Entwicklung dieses Wissenschaftszweiges führen kann, werden am meisten beachtet, und die Vorteile, die die Gentechnik in sehr geringem Umfang bringen kann, werden behandelt.

Das vielversprechendste Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Arzneimitteln mit gentechnischen Technologien. In letzter Zeit ist es möglich geworden, nützliche Impfstoffe auf der Basis von transgenen Pflanzen zu erhalten. Nicht weniger interessant ist die Herstellung von Lebensmitteln mit denselben Technologien.

Gentechnik ist die Wissenschaft der Zukunft. Derzeit werden weltweit Millionen Hektar Land mit transgenen Pflanzen besät, einzigartige Medikamente geschaffen und neue Produzenten von nützlichen Stoffen geschaffen. Im Laufe der Zeit wird die Gentechnik neue Fortschritte in der Medizin, der Landwirtschaft, der Lebensmittelverarbeitung und der Tierhaltung ermöglichen.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Merkmale der Möglichkeit, die Entwicklungsgeschichte und den Anwendungsbereich der Gentechnik zu untersuchen.

1. Möglichkeiten der Gentechnik

Ein wichtiger Bestandteil der Biotechnologie ist die Gentechnik. Anfang der 70er Jahre geboren, hat sie heute große Erfolge vorzuweisen. Gentechnische Techniken verwandeln Bakterien, Hefen und Säugetierzellen in „Fabriken“ für die großtechnische Produktion beliebiger Proteine. Dadurch ist es möglich, die Struktur und Funktion von Proteinen im Detail zu analysieren und als Arzneimittel einzusetzen. Derzeit ist Escherichia coli (E. coli) zu einem Lieferanten von so wichtigen Hormonen wie Insulin und Somatotropin geworden. Früher wurde Insulin aus tierischen Bauchspeicheldrüsenzellen gewonnen, daher waren die Kosten sehr hoch. Um 100 g kristallines Insulin zu erhalten, werden 800-1000 kg Bauchspeicheldrüse benötigt, und eine Drüse einer Kuh wiegt 200-250 Gramm. Dies machte Insulin teuer und für viele Diabetiker schwer zugänglich. 1978 stellten Forscher bei Genentech das erste Insulin in einem speziell konstruierten Stamm von Escherichia coli her. Insulin besteht aus zwei Polypeptidketten A und B, 20 und 30 Aminosäuren lang. Wenn sie durch Disulfidbindungen verbunden sind, wird natives doppelkettiges Insulin gebildet. Es ist nachweislich frei von E. coli-Proteinen, Endotoxinen und anderen Verunreinigungen, hat keine Nebenwirkungen wie tierisches Insulin und besitzt keine biologische Aktivität.

ist anders. Anschließend wurde Proinsulin in E. coli-Zellen synthetisiert, wofür mittels reverser Transkriptase eine DNA-Kopie auf der RNA-Matrize synthetisiert wurde. Nach der Reinigung des gewonnenen Proinsulins wurde es gespalten und natives Insulin gewonnen, während die Stufen der Extraktion und Isolierung des Hormons minimiert wurden. Aus 1000 Liter Kulturflüssigkeit können bis zu 200 Gramm des Hormons gewonnen werden, was der Insulinmenge entspricht, die von 1600 kg Bauchspeicheldrüse eines Schweins oder einer Kuh ausgeschieden wird.

Somatotropin ist ein menschliches Wachstumshormon, das von der Hypophyse ausgeschüttet wird. Der Mangel an diesem Hormon führt zu Hypophysen-Zwergwuchs. Wenn Somatotropin dreimal pro Woche in Dosen von 10 mg pro kg Körpergewicht verabreicht wird, kann ein Kind, das an seinem Mangel leidet, in einem Jahr um 6 cm wachsen. Somit waren die verfügbaren Hormonmengen begrenzt, außerdem war das durch dieses Verfahren produzierte Hormon heterogen und konnte sich langsam entwickelnde Viren enthalten. Die Firma "Genentec" entwickelte 1980 eine Technologie zur Herstellung von Wachstumshormonen mit Hilfe von Bakterien, die diese Mängel nicht aufwies. 1982 wurde menschliches Wachstumshormon in der Kultur von E. coli und tierischen Zellen am Institut Pasteur in Frankreich gewonnen, und seit 1984 hat die industrielle Produktion von Insulin in der UdSSR begonnen. Bei der Produktion von Interferon werden sowohl E. coli, S. cerevisae (Hefe) als auch eine Kultur von Fibroblasten oder transformierten Leukozyten verwendet. Sichere und billige Impfstoffe werden auch durch ähnliche Verfahren erhalten.

Die Herstellung hochspezifischer DNA-Sonden basiert auf der Technologie der rekombinanten DNA, mit deren Hilfe sie die Genexpression in Geweben, die Lokalisierung von Genen in Chromosomen untersuchen und Gene mit verwandten Funktionen (z. B. bei Menschen und Hühnern) identifizieren ). DNA-Sonden werden auch bei der Diagnose verschiedener Krankheiten verwendet.

Die rekombinante DNA-Technologie hat einen unkonventionellen Protein-Gen-Ansatz ermöglicht, der als reverse Genetik bezeichnet wird. Bei diesem Ansatz wird ein Protein aus der Zelle isoliert, das Gen dieses Proteins kloniert und modifiziert, wodurch ein mutiertes Gen entsteht, das eine veränderte Form des Proteins codiert. Das resultierende Gen wird in die Zelle eingeführt. Wenn es exprimiert wird, synthetisieren die Zelle, die es trägt, und ihre Nachkommen das veränderte Protein. So können defekte Gene korrigiert und Erbkrankheiten behandelt werden.

Wird die Hybrid-DNA in ein befruchtetes Ei eingebracht, können transgene Organismen erhalten werden, die das mutierte Gen exprimieren und an die Nachkommen weitergeben. Die genetische Transformation von Tieren ermöglicht es, die Rolle einzelner Gene und ihrer Proteinprodukte sowohl bei der Regulation der Aktivität anderer Gene als auch bei verschiedenen pathologischen Prozessen festzustellen. Mit Hilfe der Gentechnik wurden Tierlinien geschaffen, die gegen Viruskrankheiten resistent sind, sowie Tierrassen mit für den Menschen nützlichen Eigenschaften. Beispielsweise ermöglichte die Mikroinjektion von rekombinanter DNA, die das Rinder-Somatotropin-Gen enthielt, in eine Kaninchen-Zygote, ein transgenes Tier mit einer Hyperproduktion dieses Hormons zu erhalten. Die resultierenden Tiere hatten eine ausgeprägte Akromegalie.

Die Träger der materiellen Grundlagen der Gene sind Chromosomen, zu denen DNA und Proteine ​​gehören. Aber die Bildungsgene sind nicht chemisch, sondern funktionell. Aus funktioneller Sicht besteht die DNA aus vielen Blöcken, die eine bestimmte Menge an Informationen speichern – Gene. Die Wirkung eines Gens basiert auf seiner Fähigkeit, die Proteinsynthese durch RNA zu bestimmen. Im DNA-Molekül sind sozusagen Informationen gespeichert, die die chemische Struktur von Eiweißmolekülen bestimmen. Ein Gen ist ein Abschnitt eines DNA-Moleküls, der Informationen über die Primärstruktur eines einzelnen Proteins enthält (ein Gen – ein Protein). Da es in Organismen Zehntausende von Proteinen gibt, gibt es auch Zehntausende von Genen. Die Gesamtheit aller Gene einer Zelle bildet ihr Genom. Alle Körperzellen enthalten den gleichen Satz von Genen, aber jede von ihnen implementiert einen anderen Teil der gespeicherten Informationen. Daher unterscheiden sich beispielsweise Nervenzellen von Leberzellen sowohl in strukturellen als auch in funktionellen und biologischen Merkmalen.

Jetzt ist es sogar schwierig, alle Möglichkeiten vorherzusagen, die sich in den nächsten Jahrzehnten realisieren werden.

2. Geschichte der Gentechnik

Die Geschichte der hohen medizinischen und biologischen Technologien, der genetischen Forschungsmethoden sowie der Gentechnik selbst ist direkt mit dem ewigen menschlichen Wunsch verbunden, die Rassen von Haustieren und Kulturpflanzen zu verbessern. Indem er bestimmte Individuen aus Gruppen von Tieren und Pflanzen auswählte und sie miteinander kreuzte, hat der Mensch, ohne eine richtige Vorstellung vom inneren Wesen der Prozesse zu haben, die im Inneren von Lebewesen stattfanden, dennoch viele hundert und tausend Jahre lang geschaffen verbesserte Tierrassen und Pflanzensorten, die bestimmte nützliche und notwendige Eigenschaften für den Menschen besaßen.

Im 18. und 19. Jahrhundert wurden viele Versuche unternommen herauszufinden, wie Zeichen von Generation zu Generation weitergegeben werden. Eine wichtige Entdeckung machte 1760 der Botaniker Kellreuter, der zwei Tabaksorten kreuzte, indem er Pollen von einer Staubblattart auf eine andere Stempelart übertrug. Pflanzen, die aus Hybridsamen gewonnen wurden, hatten Eigenschaften, die zwischen denen beider Elternteile lagen. Kellerreiter folgerte daraus folgerichtig, dass elterliche Merkmale sowohl durch Pollen (Samenzellen) als auch durch Eizellen (Ovula) übertragen werden. Weder er noch seine Zeitgenossen, die sich mit der Hybridisierung von Pflanzen und Tieren beschäftigten, versäumten es jedoch, die Natur des Mechanismus für die Übertragung der Vererbung aufzudecken. Das liegt zum Teil daran, dass die zytologischen Grundlagen dieses Mechanismus damals noch nicht bekannt waren, aber vor allem daran, dass Wissenschaftler versuchten, die Vererbung aller Pflanzenmerkmale gleichzeitig zu untersuchen.

Der wissenschaftliche Ansatz zur Untersuchung der Vererbung bestimmter Merkmale und Eigenschaften wurde von dem österreichischen katholischen Mönch Gregor Mendel entwickelt, der im Sommer 1865 auf dem Territorium seines Klosters mit seinen Experimenten zur Pflanzenkreuzung (Kreuzung verschiedener Erbsensorten) begann. Er entdeckte zum ersten Mal die Grundgesetze der Genetik. Gregor Mendel war erfolgreich, weil er die Vererbung unterschiedlicher, unterschiedlicher (kontrastierender) Merkmale untersuchte, die Anzahl der Nachkommen jeder Art zählte und sorgfältig detaillierte Aufzeichnungen über alle seine Kreuzungsexperimente führte. Die Kenntnis der Grundlagen der Mathematik ermöglichte es ihm, die erhaltenen Daten richtig zu interpretieren und die Annahme aufzustellen, dass jedes Merkmal durch zwei erbliche Faktoren bestimmt wird. Der begabte Mönchsforscher konnte später eindeutig zeigen, dass Erbanlagen sich nicht vermischen, sondern in Form bestimmter Einheiten an die Nachkommen weitergegeben werden. Diese brillante Schlussfolgerung wurde später vollständig bestätigt, als es möglich war, die Chromosomen zu sehen und die Merkmale verschiedener Arten der Zellteilung herauszufinden: Mitose (somatische Zellen - Körperzellen), Meiose (Geschlecht, Fortpflanzung, Keimung) und Befruchtung.

Mendel berichtete auf einer Tagung der Brunn Society of Naturalists über die Ergebnisse seiner Arbeit und veröffentlichte sie in den Proceedings dieser Society. Die Bedeutung seiner Ergebnisse wurde von seinen Zeitgenossen nicht verstanden, und diese Studien erregten fast 35 Jahre lang nicht die Aufmerksamkeit von Pflanzenzüchtern und Naturforschern.

Im Jahr 1900, nachdem die Einzelheiten der Zellteilung nach Art der Mitose, der Meiose und der Befruchtung selbst bekannt geworden waren, führten drei Forscher - de Vries in Holland, Correns in Deutschland und Tschermak in Österreich - unabhängig voneinander eine Reihe von Experimenten durch , entdeckte die zuvor von Mendel beschriebenen Gesetze der Vererbung wieder. Später, als diese Wissenschaftler Mendels Artikel entdeckten, in dem diese Gesetze 35 Jahre vor ihnen klar formuliert waren, würdigten diese Wissenschaftler einstimmig den Mönchswissenschaftler und benannten die beiden Grundgesetze der Vererbung nach ihm.

Im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts wurden Experimente mit den unterschiedlichsten Pflanzen und Tieren durchgeführt und zahlreiche Beobachtungen zur Vererbung von Merkmalen beim Menschen gemacht, die deutlich zeigten, dass die Vererbung bei all diesen Organismen denselben Grundgesetzen gehorcht. Es wurde festgestellt, dass die von Mendel beschriebenen Faktoren, die ein bestimmtes Merkmal bestimmen, in den Chromosomen des Zellkerns lokalisiert sind. Anschließend wurden diese Einheiten 1909 vom dänischen Botaniker Johansen Gene (vom griechischen Wort "genos" - Gattung, Ursprung) benannt, und der amerikanische Wissenschaftler William Setton bemerkte eine überraschende Ähnlichkeit zwischen dem Verhalten von Chromosomen während der Bildung von Gameten ( Geschlechtszellen), ihre Befruchtung und die Übertragung von Mendelschen Erbfaktoren - Genen. Basierend auf diesen brillanten Entdeckungen wurde die sogenannte Chromosomentheorie der Vererbung geschaffen.

Genau genommen entstand die Genetik als Wissenschaft von der Vererbung und Variabilität lebender Organismen und den Methoden zu ihrer Bewirtschaftung zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Der amerikanische Genetiker T. Morgan führte zusammen mit seinen Kollegen zahlreiche Experimente durch, die es ermöglichten, die genetischen Grundlagen der Geschlechtsbestimmung aufzudecken und eine Reihe ungewöhnlicher Vererbungsformen zu erklären, bei denen die Übertragung eines Merkmals vom Geschlecht eines Individuums abhängt (die sogenannten geschlechtsgebundenen Merkmale). Der nächste große Schritt nach vorn erfolgte 1927, als G. Meller feststellte, dass es durch die Bestrahlung der Fruchtfliege Drosophila und anderer Organismen mit Röntgenstrahlen möglich ist, bei ihnen Genveränderungen, also Mutationen, künstlich hervorzurufen. Dadurch konnten viele neue mutierte Gene gewonnen werden - zusätzliches Material für die Erforschung der Vererbung. Daten über die Natur von Mutationen haben als einer der Schlüssel zum Verständnis und zur Struktur der Gene selbst gedient.

In den 20er Jahren unseres Jahrhunderts haben sowjetische Wissenschaftler der Schule von A.S. Serebrovsky wurden die ersten Experimente durchgeführt, die zeigten, wie komplex das Gen ist. Diese Ideen wurden von J. Watson und F. Crick verwendet, denen es gelang, 1953 in England ein DNA-Modell zu erstellen und den genetischen Code zu entschlüsseln. Ausgedehnte Forschungsarbeiten, die mit der gezielten Schaffung neuer Kombinationen von genetischem Material verbunden waren, führten zur Entstehung der Gentechnik selbst.

Gleichzeitig begann in den 1940er Jahren eine experimentelle Untersuchung der Beziehung zwischen Genen und Enzymen. Zu diesem Zweck wurde ein anderes Objekt weit verbreitet - der Schimmelpilz Neurospora, von dem es möglich war, eine Reihe von biochemischen Mutationen, die mit dem Verlust des einen oder anderen speziellen Enzyms (Protein) verbunden sind, künstlich zu erhalten und zu untersuchen. In den letzten zwei Jahrzehnten waren Escherichia coli und einige Bakteriophagen, die dieses Bakterium infizieren, die häufigsten Objekte der Genforschung.

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts besteht ein ungebrochenes Interesse an der Erforschung der Vererbung bestimmter (spezifischer) Eigenschaften beim Menschen und an der erblichen Vererbung erwünschter und unerwünschter Eigenschaften bei Haustieren und Kulturpflanzen. Basierend auf einem ständig wachsenden Wissen über genetische Muster haben Genwissenschaftler und Züchter fast auf Bestellung gelernt, Nutztiere zu züchten, die in heißen Klimazonen überleben können, Kühe, die viel Milch mit hohem Fettgehalt geben, Hühner, die große Eier legen mit einer dünnen Schale, Mais- und Weizensorten, die gegen bestimmte Krankheiten sehr widerstandsfähig sind.

1972 wurde die erste hybride (rekombinante) DNA in den USA im Labor von P. Berg gewonnen. Aufregende Ideen auf dem Gebiet der Humangenetik und der genetischen Forschungsmethoden wurden in großem Umfang entwickelt und in der Medizin selbst angewendet. In den 1970er Jahren begann die Entschlüsselung des menschlichen Genoms. Seit mehr als einem Jahrzehnt gibt es ein Projekt namens Human Genome. Von den 3 Milliarden Nukleotidpaaren, die in fortlaufenden Passagen angeordnet sind, wurden bisher nur etwa 10 Millionen Zeichen gelesen. Gleichzeitig werden neue Gentechniken entwickelt, die das Ablesen von DNA beschleunigen. Direktor des Medizinischen Genetischen Zentrums der Russischen Akademie der Medizinischen Wissenschaften V.I. Ivanov glaubt fest daran, dass „bis etwa 2020 das gesamte Genom gelesen sein wird“.

3. Gentechnik als Wissenschaft. Gentechnische Methoden

Gentechnik ist die In-vitro-Konstruktion von funktionell aktiven genetischen Strukturen (rekombinante DNA), oder mit anderen Worten, die Schaffung künstlicher genetischer Programme (Baev A.A.). Laut E. S. Die Gentechnik von Piruzyan ist ein System experimenteller Techniken, die es ermöglichen, künstliche genetische Strukturen im Labor (in vitro) in Form sogenannter rekombinanter oder hybrider DNA-Moleküle zu entwerfen.

Wir sprechen von einem nach einem vorgegebenen Programm gesteuerten Aufbau molekulargenetischer Systeme außerhalb des Körpers mit anschließender Einführung in einen lebenden Organismus. In diesem Fall wird rekombinante DNA zu einem integralen Bestandteil des genetischen Apparats des Empfängerorganismus und verleiht ihm neue einzigartige genetische, biochemische und dann physiologische Eigenschaften.

Das Ziel der angewandten Gentechnik ist es, solche rekombinanten DNA-Moleküle zu entwerfen, die, wenn sie in den genetischen Apparat eingeführt werden, dem Körper Eigenschaften verleihen, die für den Menschen nützlich sind.

Die rekombinante DNA-Technologie verwendet die folgenden Methoden:

Spezifische Spaltung von DNA durch Restriktionsnukleasen, wodurch die Isolierung und Manipulation einzelner Gene beschleunigt wird;

Schnelle Sequenzierung aller Nukleotide eines gereinigten DNA-Fragments, wodurch Sie die Grenzen des Gens und der davon codierten Aminosäuresequenz bestimmen können;

Konstruktion von rekombinanter DNA;

Nukleinsäure-Hybridisierung, die den Nachweis spezifischer RNA- oder DNA-Sequenzen mit größerer Genauigkeit und Empfindlichkeit ermöglicht, basierend auf ihrer Fähigkeit, komplementäre Nukleinsäuresequenzen zu binden;

DNA-Klonierung: In-vitro-Amplifikation durch Polymerase-Kettenreaktion oder Einbringen eines DNA-Fragments in eine Bakterienzelle, die nach einer solchen Transformation dieses Fragment in Millionen von Kopien reproduziert;

Einschleusen von rekombinanter DNA in Zellen oder Organismen.

4. Anwendungsgebiete der Gentechnik

Die wissenschaftlichen Entdeckungen, die derzeit auf dem Gebiet der Humangenetik gemacht werden, sind in der Tat von revolutionärer Bedeutung, da wir über die Möglichkeit sprechen, eine „Karte des menschlichen Genoms“ oder eine „pathologische Anatomie des menschlichen Genoms“ zu erstellen. Diese genetische Karte ermöglicht die Lokalisierung von Genen, die für bestimmte Erbkrankheiten verantwortlich sind, auf einer langen DNA-Helix. Laut Genwissenschaftlern bildeten diese unbegrenzten Möglichkeiten die Grundlage für die Idee, in der klinischen Praxis die sogenannte Gentherapie anzuwenden, bei der es sich um eine Richtung in der Behandlung von Patienten handelt, die mit dem Ersatz betroffener Gene unter Verwendung hochwertiger biomedizinischer Technologien verbunden ist und Gentechnik. Das Eindringen in die Zusammensetzung menschlicher Gensysteme und die Sicherstellung ihrer Vitalaktivität ist sowohl auf der Ebene somatischer (körperlicher, mit bestimmten strukturellen und funktionellen Unterschieden) Zellen des Körpers als auch auf der Ebene des Geschlechts, der Fortpflanzung (Keimzelle) und Keimzellen möglich (embryonale) Zellen.

Die Gentechnik als Therapieform - die Behandlung einer bestimmten genetisch bedingten Krankheit - ist mit der Bereitstellung eines geeigneten fehlerfreien DNA-Moleküls verbunden, um mit seiner Hilfe dieses Gen - einen Abschnitt des Chromosoms, der einen Defekt enthält, zu ersetzen, oder es durch Verschmelzung mit genetisch defekten sogenannten somatischen Zellen des menschlichen Körpers in das menschliche Erbgut zu integrieren. Die Aufgabe der Gentechnik in Bezug auf den Menschen besteht darin, ein bestimmtes Gen gezielt in geeigneter Weise zu beeinflussen, um es in Richtung einer ordnungsgemäßen Funktion zu korrigieren und einem an einer Erbkrankheit leidenden Menschen eine normale, unveränderte Version des Gens zur Verfügung zu stellen . Im Gegensatz zur medikamentösen Therapie bietet diese als Gentechnik bezeichnete Therapie dem Patienten wahrscheinlich eine lange, anhaltende, hochwirksame Behandlung, die große Erleichterung und Nutzen bringt.

Alle modernen Methoden zum Einführen von DNA in lebende Organismen sind jedoch nicht in der Lage, sie an eine bestimmte Zellpopulation zu lenken und zu liefern, die ein verändertes und daher nicht funktionierendes Gen enthält. Mit anderen Worten, der sogenannte gerichtete Transfer, der Transport von Genen unter den Bedingungen des Körpers (im „in vivo“-Modell), ist derzeit nicht möglich.

Ein weiterer methodischer Ansatz basiert darauf, eine bestimmte Population von Zellen, die das betroffene Gen enthalten, aus dem Körper des Patienten zu entnehmen und das Erbgut zu manipulieren, indem defekte Gene in Zellen gentechnisch (im „in vitro“-Modell) ersetzt und an der gleichen Stelle wieder eingesetzt werden am Körper, wo sie dem Patienten entnommen wurden, ist derzeit unter den Bedingungen medizinisch-genetischer Zentren möglich. Diese Methode der Gentherapie durch Gentechnik wurde bereits in einem experimentellen Versuch zur Heilung von zwei Patienten eingesetzt, die an einer seltenen genetisch bedingten Krankheit leiden, der sogenannten Beta-Thalassämie, die wie die Sichelzellenanämie ebenfalls durch das Vorhandensein von verursacht wird anormal angeordnetes und daher fehlfunktionierendes Protein in roten Blutkörperchen. Der Kern der Manipulation bestand darin, dass aus dem Knochenmark dieser Patienten sogenannte Stammzellen isoliert wurden, in deren Chromosomen der DNA-Abschnitt eingeführt wurde, der für die Produktion des normalen Hämoglobin-Proteins verantwortlich ist - das Gen. Nachdem die im Knochenmark des Patienten verbliebenen fehlerhaften Stammzellen fast vollständig zerstört wurden, wurden den Patienten gentechnisch veränderte Stammzellen zugeführt. Leider waren diese beiden Versuche klinisch erfolglos, da die Patienten starben. Dieser erste Fall von Gentechnik in einem Krankenhaus wurde von den zuständigen Kontrollgremien weder genehmigt noch genehmigt, und seine Beteiligten wurden wegen grober Verletzung der Regeln für die Durchführung von Forschung auf dem Gebiet der Humangenetik scharf verurteilt.

Die gentechnische Veränderung von sich vermehrenden (Geschlechts-)Zellen kann zu ganz anderen Folgen führen, da sich das Einbringen von DNA in diese Zellen von der Korrektur eines Gendefekts in somatischen (körperlichen, nichtgeschlechtlichen) Zellen unterscheidet. Es ist bekannt, dass die Einführung anderer Gene in die Chromosomen von Keimzellen zu deren Weitergabe an nachfolgende Generationen führt. Grundsätzlich kann man sich vorstellen, dem Erbgut jeder sich vermehrenden Zelle einer bestimmten Person, die von der einen oder anderen genetisch bedingten Krankheit befallen ist, bestimmte DNA-Abschnitte anstelle defekter Abschnitte hinzuzufügen.

Tatsächlich wurde dies bei Mäusen erreicht. Aus dem Eierstock einer Frau wurde also eine Eizelle gewonnen, die anschließend in einem Reagenzglas (in vitro) befruchtet wurde, und dann wurde ein fremder DNA-Abschnitt in das Chromosom der befruchteten Eizelle eingeführt. Dasselbe befruchtete Ei mit verändertem Genom wurde in die mütterliche Gebärmutter einer weiblichen Maus implantiert (eingeführt). Die Quelle fremder DNA in einem Experiment war das genetische Material eines Kaninchens und in einem anderen - eines Menschen.

Um während der Zeit der intrauterinen Entwicklung des Fötus die Wahrscheinlichkeit der Geburt eines Kindes mit bestimmten genetischen Anomalien, wie beispielsweise dem Down-Syndrom oder der Tay-Sachs-Krankheit, zu ermitteln, bietet sich eine Untersuchungstechnik der sogenannten Amniozentese an verwendet - pränatale Analyse, bei der eine Probe einer biologischen Flüssigkeit mit Keimzellen aus der Fruchtblase zu Beginn des zweiten Trimesters der Schwangerschaft entnommen wird. Außerdem wurde das Verfahren zur Gewinnung verschiedener fötaler Zellen aus der Plazenta-Blutprobe einer Mutter weiterentwickelt. Die so gewonnenen Uteruszellen können derzeit nur zum Nachweis einer begrenzten Anzahl genetisch bedingter Krankheiten verwendet werden, bei denen ausgeprägte, grobe Verletzungen der DNA-Struktur und mittels biochemischer Analysen festgestellte Veränderungen vorliegen. Die Gentechnik mit rekombinanter DNA in der Fötalforschung eröffnet die Möglichkeit, verschiedene und zahlreiche Erbkrankheiten richtig zu diagnostizieren.

In diesem Fall werden Methoden entwickelt, um sogenannte Gen-"Sonden" herzustellen, mit denen festgestellt werden kann, ob ein normales, unverändertes Gen im Chromosom vorliegt oder ein abnormes, defektes Gen vorliegt. Darüber hinaus wird die Gentechnik in Verbindung mit der Verwendung von rekombinanter DNA, die sich in einem der Stadien ihrer Bildung befindet, in Zukunft die sogenannte "Planung" menschlicher Gene ermöglichen, so dass ein bestimmtes Gen, das verzerrte, pathologische Information und daher für Genetiker interessant, könnte analog zur Methode der Verwendung eines anderen "markierten" Gens rechtzeitig und schnell genug nachgewiesen werden. Diese ausgeklügelte biomedizinische Technik sollte dabei helfen, jedes Gen in Uteruszellen zu lokalisieren, nicht nur solche, bei denen die Wahrscheinlichkeit, verschiedene Erkrankungen zu erkennen, unter Verwendung der Amniozentese-Technik machbar ist.

In diesem Zusammenhang sind in den letzten Jahren neue Zweige der biomedizinischen Wissenschaften entstanden, wie zum Beispiel Hoch-DNA-Technologien, Embryonaltherapie und Zelltherapie (Zytotherapie), dh intrauterine Diagnose und Behandlung einer genetisch bedingten Krankheit wie bei der Stadium der Bildung und Entwicklung des Embryos (Embryo) und im Stadium der fötalen Reifung. Eingriffe in und Manipulation von embryonalem Material wirken sich direkt auf die Vererbung genetischer Veränderungen aus, da sie von Generation zu Generation weitergegeben werden können. Darüber hinaus beginnt sich die Gendiagnostik selbst zur genetischen Vorhersage zu entwickeln, dh zur Bestimmung des zukünftigen Schicksals einer Person, und konsolidiert die wichtigsten revolutionären Veränderungen in der Medizin selbst, die durch komplexe medizinisch-genetische Experimente und Techniken schon lange möglich wurden das Erscheinen des „Krankheitsbildes“ , manchmal sogar vor der Geburt einer Person, um festzustellen, welche Erbkrankheiten ihn bedrohen. So wurde dank der Bemühungen von Genetikern und Spezialisten auf dem Gebiet der Gentechnik in den Tiefen der biomedizinischen Wissenschaften die sogenannte "prädiktive Medizin" geboren, dh eine Medizin, die "Vorhersagen für die Zukunft macht".

Gleichzeitig ermöglichen es verschiedene Technologien und Techniken der Gentechnik, bereits in der pränatalen Phase der Entwicklung eines Kindes, vor seiner Geburt, das Vorhandensein einer bestimmten Erbkrankheit bei ihm nicht nur vorherzusagen, sondern auch detailliert zu beschreiben medizinische und genetische Eigenschaften eines wachsenden Embryos und Fötus.

Mit der Anhäufung neuer Daten zur genetischen Kartierung des menschlichen Genoms und der Beschreibung (Sequenzierung) seiner DNA, und auch weil die entwickelten modernen Methoden zur Untersuchung von DNA-Polymorphismen es ermöglichen, genetische Informationen über bestimmte strukturelle und funktionelle (einschließlich pathologische) Merkmale des menschlichen Körpers, die sich offenbar in Zukunft manifestieren werden, aber jetzt noch nicht bemerkbar sind, wird es möglich, mit Hilfe der medizinischen Gendiagnostik alle genetischen Informationen über das Kind zu erhalten, nicht nur vorklinisch , also vor der Manifestation einer bestimmten Erbkrankheit, und pränatal, also vor seiner Geburt, aber auch präzeptiv, also schon vor seiner Empfängnis.

Dank der Erfolge und Fortschritte auf dem Gebiet der medizinischen Gendiagnostik wird es in absehbarer Zeit möglich sein, laut DNA-Diagnostik recht sicher zu beurteilen, zum Beispiel, wie groß ein Mensch sein wird, seine geistigen Fähigkeiten, Veranlagung zu bestimmten Krankheiten (insbesondere zu onkologischen oder psychischen), die zur Manifestation und Entwicklung von Erbkrankheiten verurteilt sind.

Moderne biomedizinische Technologien ermöglichen es, verschiedene Störungen in Genen zu erkennen, die sich manifestieren und bestimmte Beschwerden verursachen können, nicht nur im Stadium einer klinisch ausgeprägten Krankheit, sondern auch, wenn noch keine Anzeichen einer Pathologie vorliegen und sich die Krankheit selbst nicht manifestiert so früh. Beispiele hierfür können eine Person im Alter von über 40 und sogar im Alter von 70 Jahren, die Alzheimer-Krankheit und Chorea Huntington sein. Aber auch in diesen Fällen ist es möglich, bereits vor der Empfängnis der Patientin Gene nachzuweisen, die beim Menschen ähnliche Erkrankungen hervorrufen können. Es ist auch bekannt, dass Diabetes mellitus zu diesen Krankheiten gezählt werden kann. Die Veranlagung zu dieser Krankheit und die genetisch bedingte Pathologie selbst werden vererbt und können sich bei Nichteinhaltung eines bestimmten Lebensstils im Erwachsenenalter oder im Alter manifestieren. Es kann mit ziemlicher Sicherheit festgestellt werden, dass, wenn beide Elternteile oder einer von ihnen an Diabetes leiden, die Wahrscheinlichkeit besteht, dass das „Diabetes“-Gen oder eine Kombination solcher Gene an die Kinder weitergegeben wird.

Gleichzeitig ist es möglich, in Gegenwart mikroskopisch kleiner Mengen biologischen Materials entsprechende biomedizinische Studien durchzuführen und eine korrekte Diagnose zu stellen. Manchmal genügen dafür wenige einzelne Zellen, die in einer In-vitro-Kultur vermehrt werden und aus denen ein „genetisches Porträt“ des Probanden gewonnen wird, natürlich nicht für alle Gene seines Genoms (es gibt Zehntausende von ihnen!), sondern für diejenigen, bei denen ein begründeter Verdacht auf bestimmte Mängel besteht. Die gleichzeitige Entwicklung von Methoden der Zell- und Gentechnik wird es ermöglichen, in späteren Stadien der Erkenntnis des Genoms die praktische Möglichkeit zu entdecken, willkürlich und vor allem zu therapeutischen Zwecken die Sequenz und Reihenfolge von Genen, ihre Zusammensetzung und Struktur zu ändern.

Die Medizin ist nicht das einzige Anwendungsgebiet der Gentechnik. Unterscheiden Sie die Gentechnik von Pflanzen, die Gentechnik von bakteriologischen Zellen.

Kürzlich sind neue Möglichkeiten aufgetaucht, "essbare" Impfstoffe auf der Basis von transgenen Pflanzen zu erhalten.

Bei transgenen Pflanzen wurden weltweit große Fortschritte erzielt. Sie hängen weitgehend mit der Tatsache zusammen, dass das Problem, einen Organismus aus einer Zelle, einer Gruppe von Zellen oder einem unreifen Embryo in Pflanzen zu gewinnen, heute keine große Sache ist. Zelltechnologien, Gewebekulturen und die Herstellung regenerierter Wirkstoffe sind in der modernen Wissenschaft weit verbreitet.

Betrachten Sie die Errungenschaften auf dem Gebiet des Pflanzenanbaus, die am Sibirischen Institut für Pflanzenphysiologie und Biochemie, Sibirischer Zweig der Russischen Akademie der Wissenschaften, erzielt wurden.

So wurden in den letzten Jahren eine Reihe von transgenen Pflanzen erhalten, indem die aus verschiedenen Pflanzenobjekten isolierten ugt-, acp-, acb-, accc- und andere Gene in ihr Genom transferiert wurden.

Als Ergebnis der Einführung dieser Gene entstanden transgene Weizen-, Kartoffel-, Tomaten-, Gurken-, Sojabohnen-, Erbsen-, Raps-, Erdbeer-, Espen- und einige andere Pflanzen.

Die Einschleusung von Genen erfolgte entweder durch „Beschuss“ von Geweben mit einer „Genkanone“ (deren Design an unserem Institut entwickelt wurde) oder durch einen genetischen Vektor auf Basis eines agrobakteriellen Plasmids mit eingebetteten Zielgenen und entsprechenden Promotoren.

Als Ergebnis wurde eine Reihe neuer transgener Formen gebildet. Hier sind einige davon.

Transgener Weizen (2 Sorten), der ein viel intensiveres Wachstum und Bestockung aufweist, ist vermutlich widerstandsfähiger gegen Trockenheit und andere negative Umweltfaktoren. Seine Produktivität und die Vererbung von erworbenem Eigentum werden untersucht.

Transgene Kartoffeln, die seit drei Jahren beobachtet werden. Sie liefert durchweg 50–90 Prozent mehr Ertrag als die Kontrolle, hat eine fast vollständige Resistenz gegen Auxin-Herbizide erlangt und außerdem „schwärzen“ ihre Knollen bei Schnitten aufgrund einer Abnahme der Polyphenoloxidase-Aktivität viel weniger.

Transgene Tomate (mehrere Sorten), die sich durch größere Bestockung und Ertrag auszeichnet. In einem Gewächshaus beträgt der Ertrag bis zu 46 kg pro Quadratmeter (mehr als doppelt so hoch wie bei der Kontrolle).

Transgene Gurken (mehrere Sorten) produzieren fruchtbarere Blüten und folglich Früchte mit einem Ertrag von bis zu 21 kg pro Quadratmeter im Vergleich zu 13,7 kg bei der Kontrolle.

Es gibt auch transgene Formen anderer Pflanzen, von denen viele auch eine Reihe nützlicher wirtschaftlicher Merkmale aufweisen.

Gentechnik ist die Wissenschaft von heute und morgen. Schon jetzt werden weltweit zig Millionen Hektar mit transgenen Pflanzen besät, neue Medikamente, neue Produzenten von nützlichen Stoffen geschaffen. Im Laufe der Zeit wird die Gentechnik zu einem immer mächtigeren Werkzeug für neue Fortschritte in Medizin, Veterinärmedizin, Pharmakologie, Lebensmittelindustrie und Landwirtschaft.

5. Wissenschaftliche Fakten über die Gefahren der Gentechnik

Es sollte beachtet werden, dass neben den Fortschritten, die durch die Entwicklung der Gentechnik erzielt wurden, einige Fakten über die Gefahren der Gentechnik unterschieden werden, von denen die wichtigsten im Folgenden dargestellt werden.

1. Gentechnik unterscheidet sich grundlegend von der Züchtung neuer Sorten und Rassen. Das künstliche Hinzufügen fremder Gene stört die fein abgestimmte genetische Kontrolle einer normalen Zelle erheblich. Genmanipulation unterscheidet sich grundlegend von der Kombination von mütterlichen und väterlichen Chromosomen, die bei der natürlichen Kreuzung auftritt.

2. Derzeit ist die Gentechnik technisch unvollkommen, da sie nicht in der Lage ist, den Vorgang des Einfügens eines neuen Gens zu kontrollieren. Daher ist es nicht möglich, die Insertionsstelle und die Auswirkungen des hinzugefügten Gens vorherzusagen. Auch wenn der Ort des Gens nach seiner Einfügung in das Genom bestimmt werden kann, ist das verfügbare DNA-Wissen sehr unvollständig, um die Ergebnisse vorherzusagen.

3. Durch das künstliche Hinzufügen eines fremden Gens können unerwartet gefährliche Substanzen entstehen. Das können im schlimmsten Fall Giftstoffe, Allergene oder andere ungesunde Stoffe sein. Informationen über diese Art von Möglichkeiten sind noch sehr unvollständig.

4. Es gibt keine absolut zuverlässigen Methoden zur Unbedenklichkeitsprüfung. Mehr als 10 % der schwerwiegenden Nebenwirkungen neuer Medikamente können trotz sorgfältig durchgeführter Sicherheitsstudien nicht identifiziert werden. Das Risiko, dass die gefährlichen Eigenschaften neuer, gentechnisch veränderter Lebensmittel unbemerkt bleiben, ist wahrscheinlich viel größer als bei Arzneimitteln.

5. Die derzeitigen Anforderungen an die Unbedenklichkeitsprüfung sind äußerst unzureichend. Sie sind klar formuliert, um den Genehmigungsprozess zu vereinfachen. Sie erlauben den Einsatz äußerst unempfindlicher Methoden zur Unbedenklichkeitsprüfung. Daher besteht ein erhebliches Risiko, dass ungesunde Lebensmittel die Kontrolle unbemerkt passieren.

6. Gentechnisch veränderte Lebensmittel haben bisher keinen nennenswerten Wert für die Menschheit. Diese Produkte dienen hauptsächlich kommerziellen Interessen.

7. Die Kenntnis über die Wirkung gentechnisch veränderter und eingebrachter Organismen auf die Umwelt ist völlig unzureichend. Es ist noch nicht bewiesen, dass gentechnisch veränderte Organismen keine schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt haben. Ökologen haben über verschiedene mögliche Umweltkomplikationen spekuliert. Beispielsweise gibt es viele Möglichkeiten für die unkontrollierte Verbreitung potenziell schädlicher Gene, die von der Gentechnik verwendet werden, einschließlich des Gentransfers durch Bakterien und Viren. In der Umwelt verursachte Komplikationen sind wahrscheinlich irreparabel, da freigesetzte Gene nicht zurückgenommen werden können.

8. Neue und gefährliche Viren können auftauchen. Es wurde experimentell gezeigt, dass sich die in das Genom eingebauten Gene von Viren mit den Genen infektiöser Viren verbinden können (die sogenannte Rekombination). Diese neuen Viren können aggressiver sein als die ursprünglichen. Viren können auch weniger artspezifisch werden. Beispielsweise können Pflanzenviren für nützliche Insekten, Tiere und Menschen schädlich werden.

9. Die Kenntnis der Erbsubstanz DNA ist sehr lückenhaft. Nur von 3 % der DNA ist bekannt, dass sie funktionieren. Es ist riskant, komplexe Systeme zu manipulieren, deren Wissen unvollständig ist. Umfangreiche Erfahrungen auf dem Gebiet der Biologie, Ökologie und Medizin zeigen, dass dies zu schwerwiegenden, unvorhersehbaren Problemen und Störungen führen kann.

10. Gentechnik wird das Problem des Welthungers nicht lösen. Die Behauptung, die Gentechnik könne einen wesentlichen Beitrag zur Lösung des Welthungerproblems leisten, ist ein wissenschaftlich unbegründeter Mythos.

Fazit

Die Gentechnik ist eine biotechnologische Methode, die sich mit der Erforschung der Umordnung von Erbgut befasst. Der Genotyp ist nicht nur eine mechanische Summe von Genen, sondern ein komplexes System, das sich im Laufe der Evolution von Organismen entwickelt hat. Die Gentechnik ermöglicht es, durch Operationen in einem Reagenzglas genetische Informationen von einem Organismus auf einen anderen zu übertragen. Gentransfer ermöglicht es, Barrieren zwischen Arten zu überwinden und individuelle Erbmerkmale von einem Organismus auf einen anderen zu übertragen.

Die Umstrukturierung von Genotypen bei der Erfüllung der Aufgaben der Gentechnik ist eine qualitative Veränderung von Genen, die nicht mit unter dem Mikroskop sichtbaren Veränderungen der Chromosomenstruktur verbunden ist. Veränderungen in Genen sind in erster Linie mit der Veränderung der chemischen Struktur der DNA verbunden. Informationen über die Struktur eines Proteins, geschrieben in Form einer Sequenz von Nukleotiden, werden in Form einer Sequenz von Aminosäuren im synthetisierten Proteinmolekül realisiert. Eine Veränderung der Nukleotidsequenz in chromosomaler DNA, der Verlust einiger und der Einbau anderer Nukleotide verändern die Zusammensetzung der auf der DNA gebildeten RNA-Moleküle, was wiederum eine neue Aminosäuresequenz während der Synthese verursacht. Infolgedessen beginnt die Synthese eines neuen Proteins in der Zelle, was zum Auftreten neuer Eigenschaften im Körper führt. Das Wesen gentechnischer Verfahren liegt darin, dass einzelne Gene oder Gruppen von Genen in das Genotyp eines Organismus eingebaut oder daraus ausgeschlossen werden. Durch das Einfügen eines zuvor fehlenden Gens in den Genotyp ist es möglich, die Zelle zu zwingen, Proteine ​​zu synthetisieren, die sie zuvor nicht synthetisiert hat.

Referenzliste

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