Biotehnoloģija ir cilvēkiem nepieciešamo produktu un materiālu apzināta ražošana, izmantojot dzīvos organismus un bioloģiskos procesus.

Kopš neatminamiem laikiem biotehnoloģijas galvenokārt izmantotas pārtikas un vieglajā rūpniecībā: vīna darīšanā, maizes cepšanā, piena produktu raudzēšanā, linu un ādas apstrādē, pamatojoties uz mikroorganismu izmantošanu. Pēdējo desmitgažu laikā biotehnoloģijas iespējas ir ļoti paplašinājušās. Tas ir saistīts ar faktu, ka tās metodes ir izdevīgākas nekā tradicionālās tā vienkāršā iemesla dēļ, ka dzīvos organismos fermentu katalizētās bioķīmiskās reakcijas notiek optimālos apstākļos (temperatūra un spiediens), ir produktīvākas, videi draudzīgākas un nav nepieciešamas ķīmiskas vielas. reaģenti, kas saindē vidi.

Biotehnoloģijas objekti ir neskaitāmi dzīvo organismu grupu pārstāvji - mikroorganismi (vīrusi, baktērijas, vienšūņi, raugi), augi, dzīvnieki, kā arī no tiem izolētas šūnas un subcelulārie komponenti (organellas) un pat fermenti. Biotehnoloģija balstās uz fizioloģiskiem un bioķīmiskiem procesiem, kas notiek dzīvās sistēmās, kuru rezultātā notiek enerģijas izdalīšanās, vielmaiņas produktu sintēze un sadalīšanās, kā arī šūnas ķīmisko un strukturālo komponentu veidošanās.

Biotehnoloģijas galvenais virziens ir bioloģiski aktīvo savienojumu (enzīmi, vitamīni, hormoni), medikamentu (antibiotiku, vakcīnu, serumu, augsti specifisku antivielu u.c.), kā arī vērtīgu savienojumu ražošana, izmantojot mikroorganismus un kultivētas eikariotu šūnas ( barības piedevas, piemēram, neaizvietojamās aminoskābes, barības olbaltumvielas utt.). Gēnu inženierijas metodes ir ļāvušas rūpnieciskos daudzumos sintezēt tādus hormonus kā insulīns un somatotropīns (augšanas hormons), kas nepieciešami cilvēka ģenētisko slimību ārstēšanai.

Viena no svarīgākajām mūsdienu biotehnoloģijas jomām ir arī bioloģisko metožu izmantošana vides piesārņojuma apkarošanai (notekūdeņu bioloģiskā attīrīšana, piesārņota augsne utt.).

Tādējādi, lai iegūtu metālus no notekūdeņiem, var plaši izmantot baktēriju celmus, kas spēj uzkrāt urānu, varu un kobaltu. Citas Rhodococcus un Nocardia ģints baktērijas veiksmīgi tiek izmantotas naftas ogļūdeņražu emulgācijai un sorbcijai no ūdens vides. Tie spēj atdalīt ūdens un eļļas fāzes, koncentrēt eļļu un attīrīt notekūdeņus no eļļas piemaisījumiem. Asimilējot naftas ogļūdeņražus, šādi mikroorganismi pārvērš tos olbaltumvielās, B vitamīnos un karotīnos.

Daži halobaktēriju celmi tiek veiksmīgi izmantoti mazuta izvadīšanai no smilšainām pludmalēm. Ir iegūti arī gēnu inženierijas celmi, kas var sadalīt oktānskaitli, kamparu, naftalīnu un ksilolu un efektīvi izmantot jēlnaftu.

Liela nozīme ir biotehnoloģiju metožu izmantošanai, lai aizsargātu augus no kaitēkļiem un slimībām.

Biotehnoloģija nonāk smagajā rūpniecībā, kur dabas resursu ieguvei, pārveidošanai un apstrādei izmanto mikroorganismus. Jau senos laikos pirmie metalurgi ieguva dzelzi no purva rūdām, ko ražo dzelzs baktērijas, kas spēj koncentrēt dzelzi. Šobrīd ir izstrādātas metodes vairāku citu minerālu metālu: mangāna, cinka, vara, hroma uc baktēriju koncentrācijai. Šīs metodes izmanto, lai izveidotu vecu raktuvju un nabadzīgu atradņu izgāztuves, kur tradicionālās ieguves metodes nav ekonomiski izdevīgas.

Gēnu inženierija ir viena no svarīgākajām biotehnoloģijas metodēm. Tas ietver noteiktu ģenētiskā materiāla kombināciju mērķtiecīgu mākslīgu izveidi, kas spēj normāli funkcionēt šūnā, t.i., pavairot un kontrolēt galaproduktu sintēzi. Ir vairāki gēnu inženierijas metodes veidi atkarībā no tās izmantošanas līmeņa un īpašībām.

Gēnu inženieriju galvenokārt izmanto prokariotiem un mikroorganismiem, lai gan nesen to sāka izmantot augstākajiem eikariotiem (piemēram, augiem). Šī metode ietver atsevišķu gēnu izolēšanu no šūnām vai gēnu sintēzi ārpus šūnām (piemēram, pamatojoties uz noteiktā gēna sintezētu messenger RNS), izolētu vai sintezētu gēnu virzītu pārkārtošanu, kopēšanu un pavairošanu (gēnu klonēšana), kā arī kā to pārnešana un iekļaušana priekšmetā, lai mainītu genomu. Tādā veidā iespējams panākt “svešo” gēnu iekļaušanu baktēriju šūnās un cilvēkam svarīgu savienojumu sintēzi ar baktērijām. Pateicoties tam, bija iespējams ievadīt insulīna sintēzes gēnu no cilvēka genoma E. coli genomā. Insulīnu, ko sintezē baktērijas, izmanto diabēta slimnieku ārstēšanai.

Gēnu inženierijas attīstība kļuva iespējama, pateicoties divu enzīmu atklāšanai - restrikcijas enzīmiem, kas sagriež DNS molekulu stingri noteiktās vietās, un ligāzēm, kas sašuj kopā dažādu DNS molekulu gabalus. Turklāt gēnu inženierija ir balstīta uz vektoru atklāšanu, kas ir īsas apļveida DNS molekulas, kas neatkarīgi vairojas baktēriju šūnās. Ar restrikcijas enzīmu un ligāžu palīdzību vektoros tiek ievietots nepieciešamais gēns, pēc tam panākot tā iekļaušanu saimniekšūnas genomā.

Šūnu inženierija ir metode jauna veida šūnu konstruēšanai, pamatojoties uz to kultivēšanu, hibridizāciju un rekonstrukciju. Tas ir balstīts uz šūnu un audu kultūras metožu izmantošanu. Šūnu inženierijā ir divas jomas: 1) kultūrā pārnesto šūnu izmantošana dažādu cilvēkiem noderīgu savienojumu sintēzei; 2) kultivētu šūnu izmantošana, lai no tām iegūtu reģenerētus augus.

Augu šūnas kultūrā ir nozīmīgs vērtīgu dabisko vielu avots, jo tās saglabā spēju sintezēt tām raksturīgas vielas: alkaloīdus, ēteriskās eļļas, sveķus, bioloģiski aktīvus savienojumus. Tādējādi kultūrā pārnestās žeņšeņa šūnas turpina sintezēt, tāpat kā visa auga sastāvā, vērtīgas zāļu izejvielas. Turklāt kultūrā var veikt jebkādas manipulācijas ar šūnām un to genomiem. Izmantojot inducēto mutaģenēzi, ir iespējams paaugstināt kultivēto šūnu celmu produktivitāti un veikt to hibridizāciju (tajā skaitā attālo hibridizāciju) daudz vieglāk un vienkāršāk nekā visa organisma līmenī. Turklāt ar tiem, tāpat kā ar prokariotu šūnām, var veikt gēnu inženierijas darbu.

Hibridizējot limfocītus (šūnas, kas sintezē antivielas, bet kultūrā aug negribīgi un uz neilgu laiku) ar audzēja šūnām, kurām ir potenciāls nemirstība un kuras spēj neierobežoti augt mākslīgā vidē, ir viena no svarīgākajām biotehnoloģijas problēmām pašreizējā stadijā. ir atrisināts – iegūtas bezgalīgi augt spējīgas hibridomas šūnas.noteikta tipa augsti specifisku antivielu sintēze.

Tādējādi šūnu inženierija ļauj konstruēt jauna tipa šūnas, izmantojot mutācijas procesu, hibridizāciju un turklāt apvienot atsevišķus dažādu šūnu fragmentus (kodoli, mitohondriji, plastidi, citoplazma, hromosomas utt.), dažāda veida šūnas. , kas saistīti ne tikai ar dažādām ģintīm, dzimtām, bet arī karaļvalstīm. Tas atvieglo daudzu teorētisku problēmu risināšanu un tam ir praktiska nozīme.

Šūnu inženierija tiek plaši izmantota augu selekcijā. Izstrādāti tomātu un kartupeļu, ābolu un ķiršu hibrīdi. No šādām šūnām reģenerēti augi ar mainītu iedzimtību ļauj sintezēt jaunas formas un šķirnes, kurām ir labvēlīgas īpašības un kuras ir izturīgas pret nelabvēlīgiem vides apstākļiem un slimībām. Šo metodi plaši izmanto arī vīrusu slimību skarto vērtīgo šķirņu “glābšanai”. No to asniem kultūrā tiek izolētas vairākas apikālas šūnas, kuras vīruss vēl nav skārusi, un no tām vispirms mēģenē atjauno veselīgus augus, pēc tam pārstāda augsnē un pavairo.



Parādīšanās gēnu (ģenētiskā) inženierija saistīta ar dabaszinātnieka P. Berga (1972, ASV) gēnu izdalīšanas tehnoloģijas izveidi un vēlamā gēna pavairošanas metodēm. Svešas ģenētiskās informācijas ievadīšana dzīvā organismā, ģenētiskās manipulācijas ar mērķi mainīt esošos un radīt jaunus genotipus ir viena no daudzsološākajām mūsdienu gēnu inženierijas problēmām.

Pamatojoties uz gēnu inženieriju, ir izveidojusies jauna farmācijas nozares nozare, kas ir perspektīva mūsdienu biotehnoloģijas nozare – mikrobioloģiskā sintēze. Izmantojot gēnu inženierijas metodes, iegūti daudzu gēnu kloni, insulīns, histoni, peļu, trušu un cilvēka kolagēns un globīns, peptīdu hormoni un interferons, kas tiek izmantoti medicīnas praksē.

Gēnu inženierijas attīstība dod iespēju izveidot jaunus lauksaimniecības augu un dzīvnieku genotipus, kam raksturīga noteiktu slimību neesamība un paaugstināta produktivitāte.

Gēnu inženierijas metodes plaši izmanto medicīnā, farmakoloģijā un mikrobioloģijā. Piemēram, izmantojot molekulāros testus (DNS fragmentus), iespējams noteikt, vai donoru asinis nav inficētas ar AIDS vīrusu.

Ir izstrādātas ģenētiskās tehnoloģijas, lai uzlabotu vakcīnas un radītu jaunas vakcīnas. Ģenētiķi veic pētījumus par siera gatavošanai, vīna darīšanai, cepšanai un raudzētu piena produktu ražošanai nepieciešamo mikroorganismu īpašību ģenētisko modifikāciju.

Lauksaimniecībā izmanto modificētus mikrobus, lai cīnītos pret kaitīgiem vīrusiem, mikrobiem un kukaiņiem.

Šūnu inženierija nodarbojas ar atsevišķu šūnu vai šūnu grupu ģenētisko manipulāciju. Šūnu inženierijas sasniegumi ietver olšūnas in vitro apaugļošanas paņēmienu ar sekojošu embriju implantāciju dzemdē. Pašlaik pasaulē ir desmitiem tūkstošu mēģenes mazuļu.

Lopkopībā tiek izmantotas šūnu inženierijas metodes, lai audzētu dzīvniekus ar noteiktām īpašībām, kas ir labvēlīgas cilvēkiem. Šajā gadījumā DNS molekulu sekcijas tiek ievadītas eksperimentālo dzīvnieku olās, mainot indivīda genotipu.

Stādu audzēšanā, lai samazinātu vairošanās laiku un būtiski palielinātu jauno īpatņu skaitu, viņi izmanto klonālā mikropavairošana(auga organisma iegūšana no vienas šūnas).

Tomēr jāatzīmē gēnu un šūnu inženierijas attīstības negatīvais aspekts: kļūst reāla iespēja iegūt jaunus patogēnus vīrusus un radīt jaunus bakterioloģisko ieroču veidus, kas ne tikai noved pie destabilizācijas un spriedzes valstu attiecībās, bet apdraud arī cilvēku civilizācijas labklājību.

1997. gadā presē parādījās informācija, ka skotu zinātnieks J. Vilmuts ir izstrādājis zīdītāju klonēšanas metodi, kuras rezultātā tika klonēta aita Dollija. Tika veikti 236 eksperimenti, no kuriem tikai viens bija veiksmīgs - piedzima aita ar visu mātes genotipu.

Pēc tam diskusijas par cilvēku klonēšanu sāka rasties arvien biežāk. Patiešām, gēnu inženierijas tehnoloģijas tuvojas šīs problēmas risināšanai. Taču jāatceras, ka cilvēku klonēšana radīs vairākas ētiskas, juridiskas un reliģiskas problēmas, no kurām aktuālākās, iespējams, būs šādas:

♦ graut cilvēces morālās vērtības;

♦ nelabvēlīga ietekme uz cilvēku populācijas sociālo un bioloģisko ilgtspēju;

♦ iespējama civilizācijas rašanās ar citiem morāles kritērijiem (vai to trūkums);

♦ noziedzīgu pētnieku apvienību rašanās, kas izmanto gēnu inženierijas sasniegumus nelikumīgiem mērķiem.

Tādējādi ģenētikas sasniegumu izmantošanas cilvēku interesēs morālie un sociālie aspekti prasa plašu diskusiju, uzmanību un sabiedrības kontroli.

Pašpārbaudes jautājumi

1. Kāpēc elektromagnētisms ir dzīvās vielas eksistences atribūts?

2. Ko dabas raksturošanā nozīmē evolucionāri-sinerģiskā pieeja?

3. Kāda ir pašorganizēšanās būtība dabā kopumā un jo īpaši dzīvajā matērijā?

4. Kāda ir sinerģētikas nozīme mūsdienu pasaules skatījumā?

5. Nosauc pašorganizējošu sistēmu galvenās īpašības.

6. Dodiet bifurkācijas koka jēdzienu kā dabas, cilvēka un sabiedrības evolūcijas modeli.

7. Definēt dzīvi no dažādu zinātnieku skatupunktiem. Nosauciet atšķirības starp dzīvo un nedzīvo vielu.

8. Aprakstiet dzīvās vielas organizācijas struktūras līmeņus.

9. Formulējiet galvenās hipotēzes par dzīvības rašanos uz Zemes.

10. Nosauciet galvenos dzīvības rašanās posmus pēc A.I.Oparina.

11. Aprakstiet šūnu kā dzīvu būtņu elementāru vienību.

12. Nosauciet Čārlza Darvina evolūcijas teorijas galvenos nosacījumus. Kā sintētiskā evolūcijas teorija atšķiras no Darvina teorijas?

13. Kāda ir pasaules evolucionārā aina un globālais evolucionisms?

14. Definējiet iedzimtību un mainīgumu.

15. Ko definē jēdzieni “mantojums”, “gēns”, “genoms”, “gēnu fonds”?

16. Kas ir genotips un fenotips? Kāpēc vispārpieņemts, ka genotips nosaka fenotipu?

17. Definējiet ģenētisko kodu un uzskaitiet tā īpašības.

18. Uzskaitiet hibridoloģiskās analīzes pamatprincipus.

19. Kuras pazīmes sauc par dominējošām un kuras par recesīvām?

20. Kurus organismus sauc par homozigotiem un kuri ir heterozigotiem?

21. Dodiet Mendeļa likumu moderno formulējumu.

22. Kādas ir cilvēka ģenētikas iezīmes? Uzskaitiet galvenās cilvēka ģenētikas metodes.

Cilvēks jau ilgu laiku ir sapņojis, ka viņa audzētie dzīvnieki būtu lielāki, stingrāki un produktīvāki. Lai viņa audzētās lauksaimniecības kultūras nogatavotos pēc iespējas īsākā laikā, tās neskartu kaitēkļi un slimības un augtu pat zemas apkārtējās vides temperatūras un regulāru lietus trūkuma apstākļos.

Zināmā mērā visi šie plāni tika īstenoti, pateicoties atlasei, taču šis process ir ļoti ilgstošs, un neviens nevar garantēt pilnīgu veiksmi. Turklāt šī metode nekādā veidā nepalīdzēs apvienot vairāku sugu īpašības vienlaikus vienā organismā. Protams, ja tie var krustoties dabiski, tad tas ir iespējams, bet citos gadījumos par nepieciešamajām iedzimtajām īpašībām var tikai sapņot.

Pamattehnoloģijas

Galvenā metode šādu rezultātu sasniegšanai ir šūnu inženierija. Visas tās metodes ir visdetalizētāk izstrādātas dažiem mikroorganismiem. Kopumā šī virziena tālākās iespējas un izredzes ir vienkārši milzīgas. Šobrīd tiek veikti padziļināti pētījumi, lai izolētu atsevišķus gēnus, kurus var integrēt organismā. Vienkārši sakot, būs iespējams izveidot mājdzīvniekus un augus, kuriem būtu stingri noteikts īpašību kopums un nepieciešamais izskats.

Nedrīkst aizmirst, ka mikroorganismu šūnu inženierija ļāvusi iegūt “daudzfunkcionālas” baktērijas, kuras, piemēram, spēj bioloģiski sadalīt polietilēnu. Turklāt modificētās baktērijas ir ideāls materiāls vakcīnu ražošanai. Tie var būt pilnīgi droši (kas ļauj izmantot “dzīvas” zāles), jo tiem nav pilnīgas virulences, taču tiem ir viss viņu “savvaļas” senču antigēnu komplekts.

Visbeidzot, augu šūnu inženierija ļāva izstrādāt slavenos kvadrātveida arbūzus un citronus bez sēklām. Tieši viņai mēs esam parādā par kartupeļu izskatu, ko neēd Kolorādo kartupeļu vaboles kāpuri un pieaugušie. Pateicoties ģenētiskajiem pētījumiem, parādījās kvieši, kas viegli iegūst lielisku ražu sāļās (!) augsnēs!

Šūnu inženierijas metodes

Visām augu šūnām piemīt totipotences īpašība (šādā gadījumā no vienas šūnas var attīstīties vesels organisms). Lauksaimniecībā tas sniedz neierobežotas izredzes eksperimentiem par jaunu, cilvēkiem noderīgu kultūru veidu audzēšanu. Šūnu inženierija lopkopībā ir ļoti daudzsološa. Šobrīd zinātniekiem ir liela pieredze dažādu šķirņu dzīvnieku somatisko šūnu uzkrāšanā un uzglabāšanā in vitro. Tas jo īpaši attiecas uz materiāla uzglabāšanu zemā temperatūrā.

Starp citu, kādas dzīvnieku šūnu inženierijas metodes pastāv? Apspriedīsim tos.

Agrīna embriju atdalīšana

Mūsdienās agrīno embriju atdalīšanas metode ir īpaši daudzsološa. Pirmo impulsu šim virzienam deva transplantoloģijas attīstības sākums, kura metodes ļāva saglabāt lielu skaitu iegūto embriju. Kopumā pirmo veiksmīgo eksperimentu embriju materiāla atdalīšanai 2.–8. posmā veica Vilards (Kembridžā, Anglijā). Šīs metodes trūkums ir darbietilpība, tāpēc šo operāciju var veikt tikai labi aprīkotā medicīnas iestādē.

Vienkārši sakot, tā ir ārkārtīgi sarežģīta biotehnoloģija. Šūnu inženierijā mūsdienās tiek izmantotas daudz vienkāršākas metodes.

Vēlīna embriju atdalīšana

Tādējādi zinātnieki sāka manipulēt ar embriju materiālu tikai vēlākos posmos (morula, blastocista). Metodes būtība ir tāda, ka vispirms tiek atvērta caurspīdīgā zona (pellucida), pēc kuras embrijs tiek rūpīgi sadalīts divās daļās. Viena puse paliek tajā pašā vietā, bet otrā daļa tiek pārnesta uz iepriekš sagatavotu zonu.

Vēl pirms dažiem gadiem embriju izdzīvošanas rādītājs, izmantojot šo paņēmienu, sasniedza 50-60%, savukārt šodien šis rādītājs jau tuvojas 80%. Galvenais pielietotais efekts ir būtisks no viena ražotāja iegūto teļu skaita pieaugums. Nav pārsteidzoši, ka dzīvnieku šūnu inženierija ir nozare, kurai netrūkst finansējuma.

Amerikāņu zinātnieki bija pirmie šajos eksperimentos. Tieši viņi secināja, ka, ja embrijam ir atņemta caurspīdīgā membrāna, tad tas izdzīvo ne vairāk kā 15% gadījumu, bet, ja saglabājas pellucīdais slānis, tad izdzīvošanas rādītājs uzreiz palielinās līdz 35% gadījumu. Optimālākos rezultātus iegūst, ja katrai sadalītā embrija pusei ir caurspīdīga membrāna un katra daļa tiek ievietota atsevišķā dzemdes ragā: mūsdienu apstākļos izdzīvo līdz 75% embriju.

Bet kādiem nolūkiem šūnu inženierija tiek izmantota praksē? Kādus rezultātus jūs iegūstat ar tās palīdzību?

Šūnu inženierijas nozīme audzēšanā

Mūsdienās šo paņēmienu arvien vairāk izmanto starptautiskajā audzēšanā. Salīdzinoši nesen tika veiksmīgi pārbaudīta tehnika embriju iegūšanai un implantēšanai cūkām. Pētnieki uzskata, ka šūnu inženierija var palielināt viena dzīvnieka pēcnācēju skaitu vismaz par 30-35%. Bet nevajadzētu aizmirst par iespēju iegūt ģenētiskās kopijas.

Šādi dzīvnieki ir gandrīz zelta vērti tiem zinātniekiem, kuri pēta vides un genotipa mijiedarbību. Fakts ir tāds, ka divu pilnīgi identisku indivīdu klātbūtne ļauj samazināt iekšējo faktoru ietekmi, pētot ārējās vides ietekmi uz ķermeni. Turklāt vienu dzīvnieku no pāra var nokaut, ja pētījumiem nepieciešami dati par ķermeņa iekšējo stāvokli.

Visas šīs izstrādes ir šūnu inženierijas pamatmetodes. Bet mēs aizmirsām runāt par šīs zinātnes nozares svarīgāko virzienu, kas saistīts ar lauksaimniecības dzīvnieku dzimuma mākslīgo regulēšanu. Ir pienācis laiks labot šo trūkumu.

Dzimuma regulēšanas metodes

Noteikti neviens nebūs pārsteigts, uzzinot par neticamo nozīmi, kāda ir attīstībai lauksaimniecības dzīvnieku dzimuma mākslīgās regulēšanas jomā. Šobrīd zinātnieki nevar regulēt viena dzimuma dzīvnieku skaitu, un ir lielas problēmas ar indivīda dzimuma atpazīšanu tā attīstības sākumposmā. Līdz šim šī indikatora mākslīgā regulēšanā ir panākts tikai ļoti neliels progress: pat šūnu inženierija un klonēšana nevar pilnībā atrisināt šo problēmu.

Protams, ideālā gadījumā būtu vērts vienkārši atdalīt spermu, kas nes X un Y hromosomas. Tieši šajā virzienā būtu jāattīstās pētniecībai. Vēl viena pieeja (kas ir daudz vienkāršāka un tāpēc tiek izmantota) ir agrīnu embriju izņemšana no sieviešu reproduktīvās sistēmas, to dzimuma noteikšana un pēc tam transplantācija.

Bet kā šūnu inženierijas metodes ir saistītas ar to visu? Viss ir pavisam vienkārši.

Tas viss attiecas uz citoloģisko metodi, kas nosaka embrija veidu, XX vai XY. To dara, pētot hromatīnu vai dzimuma hromosomas. Pēdējos gados arī konstatēts, ka dzimumu var noteikt, pētot specifiskas antivielas, kas sievietēm un vīriešiem ir pilnīgi atšķirīgas. Ir arī dažu zinātnieku viedokļi, ka dzimumu var noteikt, pētot glikozes-6-fosfāta dehidrogenāzes aktivitāti. Tomēr šobrīd visefektīvākās ir citoloģiskās un imunoloģiskās (antivielu izpētes) metodes.

Gēnu inženierija

Nav nejaušība, ka šī raksta nosaukumā ir lietota frāze "ģenētiskā un šūnu inženierija". Neatkarīgi no tā, cik efektīvas ir šūnu materiāla korekcijas metodes, darbs tieši ar gēniem vienmēr būs daudz efektīvāks.

Šobrīd tieši ģenētiskās metodes pamazām ieņem vadošo lomu lopkopībā un augkopībā visā pasaulē. Pateicoties viņiem, selekcijas darbs ir sasniedzis principiāli jaunu līmeni: no šī brīža zinātnieki var ne tikai uzminēt, kādas īpašības būs viņu radītajam indivīdam, bet arī to noteikti zināt.

Uzreiz jāatzīmē, ka viss nav tik labi. Ir daži ierobežojumi. Fakts ir tāds, ka ģenētiskai manipulācijai ir atļauts tikai ģenētiskais materiāls no buļļiem, kas var uzlabot viņu pēcnācējus (uzlabotājus). Vienīgā problēma ir tā, ka mūsdienās šādu dzīvnieku ir ārkārtīgi maz. Turklāt programmas, kuru mērķis ir mastīta izskaušana, vēl nav devušas redzamus rezultātus. Vienkārši sakot, gēnu un šūnu inženierija ir tālu no panacejas.

Pašas inženiertehniskās metodes vienotā sistēmā sāka veidoties tikai pagājušā gadsimta 50. gados. Tādējādi viens no galvenajiem darbiem, kas lika pamatus šai zinātnes nozarei, bija eksperimenti par šūnu kodolu transplantāciju, izmantojot Brigsa un Kinga metodi. Sākumā šī operācija tika veiksmīgi veikta tikai ar vardēm. Pašlaik tiek veikti veiksmīgi eksperimenti par ģenētiskā materiāla transplantāciju pat pelēm un lielākiem zīdītājiem.

Salīdzinoši nesen zinātnieki ir radījuši kodolu pārneses metodi pēc karioplastu saplūšanas. Turklāt ģenētiskās un šūnu inženierijas metodes jau ļauj radīt himēriskus organismus, kuru pamatā ir dažāda veida zīdītāji.

Drīz Gārdners izstrādāja principiāli jaunu metodi, kurā blastomēri tiek implantēti saņēmēju blastocistās. Batlers veiksmīgi pārbaudīja šo metodi laboratorijas pelēm. Pamatojoties uz šiem sasniegumiem, vispirms tika iegūtas kimēras, kuru pamatā ir aitas organisms.

Visi iepriekš aprakstītie darbi pakāpeniski sagatavoja pasaules lauksaimniecības zinātni plašai gēnu inženierijas metožu ieviešanai. Mūsdienās visizplatītākā metode ir gēnu materiāla pārnešana kultivētās šūnās un sekojoša ievadīšana blastocistā.

Bet pirms mēs saprotam dažus šīs tehnoloģijas aspektus, ir vērts atbildēt uz svarīgu jautājumu. Precīzāk, apspriediet atšķirību starp gēnu inženieriju un šūnu inženieriju. Kopumā šeit viss ir pavisam vienkārši: ja pirmajā gadījumā zinātnieki operē tieši ar ģenētisko materiālu, tad, izmantojot “šūnu” metodes, darbam tiek ņemtas veselas organellas un šūnu sekcijas, kuras tiek implantētas recipienta materiālā.

Paplašināta definīcija

Tātad, kāda ir gēnu inženierijas būtība? Pagājušā gadsimta 70. gadu vidū zinātnieki veica sensacionālu atklājumu. Viņi atklāja, ka daži mikrobu fermenti spēj sagriezt DNS molekulu vajadzīgajā vietā. Vienkārši sakot, ir radusies unikāla iespēja iegūt ģenētisko materiālu ar stingri noteiktām īpašībām.

Pētniekiem beidzot izdevās precīzi noteikt konkrētus gēnus un vajadzības gadījumā tos arī klonēt. Kādi principi vadās zinātnieku darbā? Kopumā ir tikai divi no tiem:

• Gēnam ir jābūt kādai skaidrai īpašībai, kas ir jānosaka.
• Izolētais ģenētiskais materiāls ir jāpievieno nesējam (piemēram, vīrusam), kas veiks tā transplantāciju.

Vienkārši sakot, izolētais gēns no donora ķermeņa ir jāpārnes uz saņēmēja ķermeni, kuram tas ir svešs. Pētnieku darbā galvenais ir ne tikai panākt tā ieaugšanu, bet arī radīt apstākļus, kādos tas normāli vairoties.

Darbs ar zigotu

Tomēr pēdējos gados tikpat plaši izplatīta ir tehnika, kurā sveši gēni tiek ievadīti dzīvnieku zigotu priekškodolā. Pirmo reizi šī metode tika pārbaudīta uz ezera varžu oocītiem: vispirms tajos tika ievadīta noteikta DNS, un zinātnieki nekavējoties atzīmēja integrāciju un transkripciju. 1981. gadā pirmo reizi tika veikts interesants eksperiments, kura laikā peles zigotā tika ievadīts truša gammaglobulīna gēns.

Gēns izskatījās kā garš genoma tandēms, kas satur stabilus reģionus. Interesanti, ka tie tika pareizi transkribēti tikai tad, ja tie bija pilnīgi bez plazmīda komponentiem. To gēnu ekspresija, kas tika ievietoti, izmantojot šo metodi, tika detalizēti pētīta laboratorijas pelēm.

Gadu pirms eksperimentiem ar peles zigotu, 1980. gadā, plazmīda pBR322, kas saturēja SK40 un HSV vīrusu fragmentus, tika ievietota tās pašas peles zigotas kodolā. Rezultātā vīrusa DNS tika atrasta trīs pelēm no 78 indivīdiem, kas piedalījās eksperimentā. Savādi, bet, injicējot cilvēka gammaglobulīna gēnu, tā integrācija jau tika novērota piecām pelēm no 33 indivīdiem (vairāk nekā 15%). Šī pieredze jau pierādīja, ka himērisku organismu radīšana, kas apvienotu vairāku sugu īpašības vienlaikus, ir pilnīgi iespējama.

Brinsters un viņa sekotāji un viņa skolēni peļu zigotu priekškodolos pārstādīja īpaši sagatavotu konstrukciju, kas ietvēra peles metalotioneīnu, kā arī timidīna kināzes gēnu. Šajā gadījumā pilnīga integrācija tika novērota jau 17% laboratorijas dzīvnieku.

Galvenie secinājumi

Šobrīd gēnu inženierija beidzot ir kļuvusi par daudzsološu, apspriestu zinātnes nozari. Gandrīz visi par to zina. Bet kādi ir šūnu inženierijas un darba ar ģenētisko materiālu uzdevumi? Ak, tie ir diezgan dažādi.

Pirmkārt, zinātnieki visā pasaulē saskaras ar uzdevumu nomierināt un samazināt badu uz visas planētas. Ģenētiskās un šūnu inženierijas metodes ļauj izveidot augu un dzīvnieku sugu šķirnes, kuru produktivitāte būs desmitiem reižu augstāka nekā to savvaļas senčiem.

Otrkārt, šī zinātnes nozare var pārvarēt priekšlaicīgas novecošanas problēmas un citas ģenētiskas slimības, kuras pašlaik nav izārstētas. Visbeidzot, gēnu inženierija kādu dienu noteikti ļaus ievērojami pagarināt dzīvi!

Speciālisti saka, ka gēnu inženierijas metodes jau tuvākajā nākotnē ļaus ne tikai diagnosticēt ģenētiskās slimības (piemēram, Dauna sindromu) ārkārtīgi agrīnās grūtniecības stadijās, bet arī efektīvi tās ārstēt!

Šūnu inženierija ir zinātnes un selekcijas prakses virziens, kas pēta dažādām sugām piederošu somatisko šūnu hibridizācijas metodes, iespēju no atsevišķām šūnām klonēt audus vai veselus organismus.

Viena no izplatītākajām augu selekcijas metodēm ir haploīdā metode - pilnvērtīgu haploīdu augu iegūšana no spermas vai olām.

Ir iegūtas hibrīdšūnas, kas apvieno asins limfocītu un audzēja šūnu īpašības, kuras aktīvi vairojas. Tas ļauj ātri un vajadzīgajos daudzumos iegūt antivielas.

Audu kultūra– izmanto, lai laboratorijas apstākļos iegūtu augu vai dzīvnieku audus un dažreiz veselus organismus. Stādu audzēšanā to izmanto, lai paātrinātu tīru diploīdu līniju veidošanos pēc oriģinālo formu apstrādes ar kolhicīnu.

Gēnu inženierija– mākslīga, mērķtiecīga mikroorganismu genotipa maiņa, lai iegūtu kultūraugus ar iepriekš noteiktām īpašībām.

Pamatmetode– nepieciešamo gēnu izolēšana, klonēšana un ievadīšana jaunā ģenētiskā vidē. Metode ietver šādus darba posmus:

– gēna izolēšana, tā saistīšana ar šūnas DNS molekulu, kas var reproducēt donora gēnu citā šūnā (iekļaušana plazmīdā);

– plazmīdas ievadīšana recipienta baktērijas šūnas genomā;

– nepieciešamo baktēriju šūnu atlase praktiskai lietošanai;

– pētījumi gēnu inženierijas jomā attiecas ne tikai uz mikroorganismiem, bet arī uz cilvēkiem. Tie ir īpaši aktuāli tādu slimību ārstēšanā, kas saistītas ar imūnsistēmas, asinsreces sistēmas traucējumiem un onkoloģiju.

Klonēšana. No bioloģiskā viedokļa klonēšana ir augu un dzīvnieku veģetatīvā pavairošana, kuru pēcnācēji pārnēsā iedzimtībai identisku informāciju. Dabā augi, sēnes un vienšūņi tiek klonēti, t.i. organismi, kas vairojas veģetatīvi. Pēdējās desmitgadēs šo terminu sāka lietot, kad viena organisma kodoli tiek pārstādīti cita organisma olšūnā. Šādas klonēšanas piemērs bija slavenā aita Dollija, kas iegūta Anglijā 1997. gadā.

Biotehnoloģija– dzīvo organismu un bioloģisko procesu izmantošanas process medikamentu, mēslošanas līdzekļu un bioloģisko augu aizsardzības līdzekļu ražošanā; notekūdeņu bioloģiskajai attīrīšanai, vērtīgu metālu bioloģiskai ieguvei no jūras ūdens u.c.

Par insulīna veidošanos cilvēkiem atbildīgā gēna iekļaušana Escherichia coli genomā ļāva izveidot šī hormona rūpniecisko ražošanu.

Lauksaimniecībā desmitiem pārtikas un lopbarības kultūru ir ģenētiski modificētas. Lopkopībā biotehnoloģiski ražota augšanas hormona izmantošana ir palielinājusi izslaukumu;

izmantojot ģenētiski modificētu vīrusu, lai izveidotu vakcīnu pret herpes cūkām. Ar baktērijās ievadītu jaunsintezētu gēnu palīdzību tiek iegūtas vairākas svarīgas bioloģiski aktīvas vielas, jo īpaši hormoni un interferons. To ražošana bija nozīmīga biotehnoloģijas nozare.

Attīstoties gēnu un šūnu inženierijai, sabiedrība arvien vairāk uztraucas par iespējamām manipulācijām ar ģenētisko materiālu. Dažas bažas ir teorētiski pamatotas. Piemēram, nevar izslēgt dažu baktēriju rezistenci pret antibiotikām paaugstinošu gēnu transplantāciju un jaunu pārtikas produktu formu radīšanu, taču šos darbus kontrolē valstis un sabiedrība. Jebkurā gadījumā slimību, nepietiekama uztura un citu satricinājumu briesmas ir daudz lielākas nekā ģenētiskās izpētes dēļ.

Gēnu inženierijas un biotehnoloģijas perspektīvas:

– cilvēkam noderīgu organismu radīšana;

– jaunu medikamentu iegūšana;

– ģenētisko patoloģiju korekcija un korekcija.

Lai ārstētu daudzas slimības, nepieciešamas dažādas bioloģiski aktīvas vielas. Izolējot tos no cilvēka audiem, pastāv risks, ka iegūtais materiāls var tikt inficēts ar dažādiem vīrusiem (B hepatīts, cilvēka imūndeficīts utt.). Turklāt šīs vielas tiek ražotas nelielos daudzumos un ir dārgas. Dzīvnieku izcelsmes bioloģiski aktīvās vielas ir neefektīvas nesaderības dēļ ar slima cilvēka imūnsistēmu. Tikai jaunas gēnu inženierijas nozares attīstība palīdzēja nodrošināt tīru bioloģiski aktīvo vielu ražošanu lielos daudzumos par zemāku cenu.

Gēnu inženierija- tā ir hibrīdu, rekombinanto DNS molekulu un līdz ar to organismu ar jaunām īpašībām radīšana. Lai to izdarītu, nepieciešams izolēt gēnu no organisma vai mākslīgi sintezēt, klonēt (vairot) un pārnest uz citu organismu.

Gēnu inženierijas instrumenti ir fermenti: restrikcijas enzīmi (sagriež DNS molekulu) un ligāzes (savieno to kopā). Vīrusi tiek izmantoti kā pārnēsātāji.

Izmantojot gēnu inženieriju, ir izveidoti Escherichia coli celmi, kuros ir iestrādāti cilvēka insulīna (nepieciešams cukura diabēta ārstēšanai), interferona (pretvīrusu zāles) un somatotropīna (augšanas hormona) gēni.

Rauga šūnas ir ģenētiski pārveidotas, lai ražotu cilvēka insulīnu. Biosintētiskā cilvēka insulīna ražošanas metode, izmantojot rauga šūnas, tiek plaši izmantota farmācijas ražošanā (Dānijā, Dienvidslāvijā, ASV, Vācijā un citās valstīs).

Šobrīd dažādu valstu zinātnieki strādā, lai, izmantojot gēnu inženieriju, iegūtu vairākas citas nepieciešamās bioloģiski aktīvas vielas, vakcīnu pret B hepatītu, profibrinolizīna aktivatoru (antikoagulantu), interleikīnu-2 (imūnmodulatoru) u.c.

Sveši gēni tiek ievadīti dzīvnieku šūnās atsevišķu DNS molekulu veidā vai kā daļa no vīrusu vektoriem, kas spēj ievadīt svešu DNS šūnu genomā. Parasti tiek izmantotas divas metodes:

1) DNS pievieno šūnu inkubācijas barotnei;

2) ražot DNS mikroinjekcijas tieši kodolā (kas ir efektīvāk).

Cilvēku gēnu inženierijas primārie uzdevumi ir cilvēka gēnu banku izveide to izpētei un gēnu terapijas veidu meklēšana, tas ir, mutantu gēnu aizstāšana ar normālām alēlēm.

Šūnu inženierija ir metode jauna veida šūnu konstruēšanai, pamatojoties uz to kultivēšanu, hibridizāciju vai rekonstrukciju. Hibridizācija mākslīgi apvieno veselas šūnas (dažreiz no attālām sugām), veidojot hibrīdu šūnu. Šūnu rekonstrukcija ir dzīvotspējīgas šūnas izveidošana no atsevišķiem dažādu šūnu fragmentiem (kodols, citoplazma, hromosomas utt.).

Hibrīdu šūnu izpēte ļauj atrisināt daudzas bioloģijas un medicīnas problēmas. Piemēram, biotehnoloģija izmanto hibridomas. Hibridoma ir šūnu hibrīds, kas iegūts, saplūstot normālu limfocītu un audzēja šūnu. Tam ir iespēja sintezēt vēlamās specifikas monoklonālas (homogēnas) antivielas (limfocīta īpašība) un neierobežoti augt mākslīgā vidē (audzēja šūnas īpašība).

Biotehnoloģija- ir cilvēkiem nepieciešamo produktu un materiālu ražošana, izmantojot bioloģiskos objektus.

Jēdziens “biotehnoloģija” kļuva plaši izplatīts 20. gadsimta 70. gadu vidū, lai gan atsevišķas biotehnoloģijas nozares ir zināmas jau sen un balstās uz dažādu mikroorganismu izmantošanu: cepšana, vīna darīšana, brūvēšana, siera gatavošana. Ģenētikas sasniegumi ir radījuši lieliskas papildu iespējas biotehnoloģijas attīstībai.

20. gadsimta vidū. un tās otrajā pusē, izmantojot inducētu mutaģenēzi, tika iegūtas antibiotikas (penicilīns, streptomicīns, eritromicīns u.c.) - ar mikrobu palīdzību; amilāzes enzīms - ar Bacillus subtilis palīdzību, aminoskābes - ar Escherichia coli palīdzību; pienskābe - ar pienskābes baktēriju palīdzību; citronskābe - izmantojot aspergillus pelējumu; B vitamīni - ar rauga palīdzību.