Biotechnológia je vedomá výroba produktov a materiálov potrebných pre ľudí pomocou živých organizmov a biologických procesov.
Biotechnológia sa od nepamäti využíva najmä v potravinárskom a ľahkom priemysle: vo vinárstve, pekárstve, fermentácii mliečnych výrobkov, pri spracovaní ľanu a kože, na základe využitia mikroorganizmov. V posledných desaťročiach sa možnosti biotechnológií enormne rozšírili. Je to spôsobené tým, že jej metódy sú výnosnejšie ako konvenčné z jednoduchého dôvodu, že v živých organizmoch prebiehajú biochemické reakcie katalyzované enzýmami za optimálnych podmienok (teplota a tlak), sú produktívnejšie, šetrnejšie k životnému prostrediu a nevyžadujú chemické činidlá, ktoré otravujú životné prostredie.
Predmetom biotechnológie sú početní zástupcovia skupín živých organizmov - mikroorganizmy (vírusy, baktérie, prvoky, kvasinky), rastliny, živočíchy, ako aj z nich izolované bunky a subcelulárne zložky (organely) a dokonca aj enzýmy. Biotechnológia je založená na fyziologických a biochemických procesoch prebiehajúcich v živých systémoch, ktorých výsledkom je uvoľňovanie energie, syntéza a rozklad produktov metabolizmu a tvorba chemických a štrukturálnych zložiek bunky.
Hlavným smerom biotechnológie je výroba pomocou mikroorganizmov a kultivovaných eukaryotických buniek, biologicky aktívnych zlúčenín (enzýmy, vitamíny, hormóny), liekov (antibiotiká, vakcíny, séra, vysoko špecifické protilátky atď.), ako aj cenných zlúčenín ( kŕmne doplnkové látky, napríklad esenciálne aminokyseliny, kŕmne bielkoviny atď.). Metódy genetického inžinierstva umožnili v priemyselných množstvách syntetizovať hormóny ako inzulín a somatotropín (rastový hormón), ktoré sú potrebné na liečbu ľudských genetických chorôb.
Jednou z najdôležitejších oblastí modernej biotechnológie je aj využívanie biologických metód na boj so znečistením životného prostredia (biologické čistenie odpadových vôd, kontaminovanej pôdy a pod.).
Na extrakciu kovov z odpadových vôd sa teda môžu široko používať bakteriálne kmene schopné akumulovať urán, meď a kobalt. Ďalšie baktérie rodov Rhodococcus a Nocardia sa úspešne využívajú na emulgáciu a sorpciu ropných uhľovodíkov z vodného prostredia. Sú schopné oddeliť vodnú a olejovú fázu, zahustiť olej a vyčistiť odpadovú vodu od ropných nečistôt. Asimiláciou ropných uhľovodíkov ich takéto mikroorganizmy premieňajú na bielkoviny, vitamíny B a karotény.
Niektoré z kmeňov halobaktérií sa úspešne používajú na odstraňovanie vykurovacieho oleja z piesočnatých pláží. Získali sa aj geneticky upravené kmene, ktoré dokážu rozložiť oktán, gáfor, naftalén a xylén a efektívne využiť ropu.
Veľký význam má využitie biotechnologických metód na ochranu rastlín pred škodcami a chorobami.
Biotechnológia sa dostáva do ťažkého priemyslu, kde sa mikroorganizmy využívajú na extrakciu, premenu a spracovanie prírodných zdrojov. Už v staroveku prví hutníci získavali železo z rašelinných rúd produkovaných železnými baktériami, ktoré sú schopné železo koncentrovať. Teraz boli vyvinuté metódy na bakteriálnu koncentráciu mnohých ďalších minerálnych kovov: mangán, zinok, meď, chróm atď. Tieto metódy sa používajú na vytváranie skládok starých baní a chudobných ložísk, kde tradičné metódy ťažby nie sú ekonomicky životaschopné.
Genetické inžinierstvo je jednou z najdôležitejších metód biotechnológie. Ide o cielené umelé vytváranie určitých kombinácií genetického materiálu, ktoré sú schopné normálneho fungovania v bunke, t.j. množenia a riadenia syntézy finálnych produktov. Existuje niekoľko typov metód genetického inžinierstva v závislosti od úrovne a vlastností jej použitia.
Genetické inžinierstvo sa používa hlavne na prokaryotoch a mikroorganizmoch, aj keď v poslednej dobe sa začalo používať aj na vyšších eukaryotoch (napríklad na rastlinách). Táto metóda zahŕňa izoláciu jednotlivých génov z buniek alebo syntézu génov mimo bunky (napríklad na základe messengerovej RNA syntetizovanej daným génom), riadené preskupenie, kopírovanie a množenie izolovaných alebo syntetizovaných génov (klonovanie génov), ako aj ako ich prenos a zaradenie do predmetu zmeny genómu. Týmto spôsobom je možné dosiahnuť inklúziu „cudzích“ génov do bakteriálnych buniek a syntézu zlúčenín dôležitých pre človeka baktériami. Vďaka tomu bolo možné zaviesť gén syntézy inzulínu z ľudského genómu do genómu E. coli. Inzulín syntetizovaný baktériami sa používa na liečbu pacientov s cukrovkou.
Vývoj genetického inžinierstva bol možný vďaka objavu dvoch enzýmov – reštrikčných enzýmov, ktoré štiepia molekulu DNA v presne definovaných oblastiach, a ligáz, ktoré spájajú kúsky rôznych molekúl DNA. Genetické inžinierstvo je navyše založené na objave vektorov, čo sú krátke kruhové molekuly DNA, ktoré sa nezávisle rozmnožujú v bakteriálnych bunkách. Pomocou reštrikčných enzýmov a ligáz sa požadovaný gén vloží do vektorov, čím sa následne dosiahne jeho začlenenie do genómu hostiteľskej bunky.
Bunkové inžinierstvo je metóda konštrukcie nového typu buniek založená na ich kultivácii, hybridizácii a rekonštrukcii. Je založená na použití metód bunkových a tkanivových kultúr. Existujú dve oblasti bunkového inžinierstva: 1) použitie buniek prenesených do kultúry na syntézu rôznych zlúčenín užitočných pre ľudí; 2) použitie kultivovaných buniek na získanie regenerovaných rastlín z nich.
Rastlinné bunky v kultúre sú dôležitým zdrojom cenných prírodných látok, pretože si zachovávajú schopnosť syntetizovať látky, ktoré sú pre ne charakteristické: alkaloidy, éterické oleje, živice, biologicky aktívne zlúčeniny. Bunky ženšenu prenesené do kultúry teda naďalej syntetizujú, ako v zložení celej rastliny, cenné liečivé suroviny. Okrem toho sa v kultúre môžu vykonávať akékoľvek manipulácie s bunkami a ich genómami. Pomocou indukovanej mutagenézy je možné zvýšiť produktivitu kultivovaných bunkových kmeňov a uskutočniť ich hybridizáciu (vrátane vzdialenej hybridizácie) oveľa jednoduchšie a jednoduchšie ako na úrovni celého organizmu. Okrem toho s nimi možno vykonávať genetické inžinierstvo, ako s prokaryotickými bunkami.
Hybridizáciou lymfocytov (bunky, ktoré syntetizujú protilátky, ale neochotne a krátkodobo rastú v kultúre) s nádorovými bunkami, ktoré majú potenciálnu nesmrteľnosť a sú schopné neobmedzeného rastu v umelom prostredí, je jedným z najdôležitejších problémov biotechnológie v súčasnosti. bola vyriešená - získali sa hybridómové bunky schopné nekonečného rastu.syntéza vysoko špecifických protilátok určitého typu.
Bunkové inžinierstvo teda umožňuje skonštruovať nový typ buniek pomocou mutačného procesu, hybridizácie a navyše spájať jednotlivé fragmenty rôznych buniek (jadrá, mitochondrie, plastidy, cytoplazma, chromozómy atď.), bunky rôznych typov. , týkajúce sa nielen rôznych rodov, rodín, ale aj kráľovstiev. To uľahčuje riešenie mnohých teoretických problémov a má praktický význam.
Bunkové inžinierstvo sa široko používa v šľachtení rastlín. Boli vyvinuté hybridy paradajok a zemiakov, jabĺk a čerešní. Rastliny regenerované z takýchto buniek so zmenenou dedičnosťou umožňujú syntetizovať nové formy a odrody, ktoré majú prospešné vlastnosti a sú odolné voči nepriaznivým podmienkam prostredia a chorobám. Táto metóda sa široko používa aj na „záchranu“ cenných odrôd postihnutých vírusovými chorobami. Z ich klíčkov v kultúre sa izoluje niekoľko apikálnych buniek, ktoré ešte nie sú napadnuté vírusom, a z nich sa najprv v skúmavke regenerujú zdravé rastliny, ktoré sa potom presadia do pôdy a rozmnožia.
Vznik genetické (genetické) inžinierstvo spojené s vytvorením technológie na izoláciu génov z DNA a metód propagácie požadovaného génu prírodovedcom P. Bergom (1972, USA). Vnášanie cudzej genetickej informácie do živého organizmu, genetické manipulácie s cieľom meniť existujúce a vytvárať nové genotypy predstavujú jeden z najsľubnejších súčasných problémov genetického inžinierstva.
Na základe genetického inžinierstva vzniklo nové odvetvie farmaceutického priemyslu, ktoré je perspektívnym odvetvím modernej biotechnológie – mikrobiologická syntéza. Metódami genetického inžinierstva boli získané klony mnohých génov, inzulín, históny, myší, králičí a ľudský kolagén a globín, peptidové hormóny a interferón, ktoré sa využívajú v lekárskej praxi.
Rozvoj genetického inžinierstva umožňuje vytvárať nové genotypy poľnohospodárskych rastlín a zvierat, ktoré sa vyznačujú absenciou určitých chorôb a zvýšenou produktivitou.
Metódy genetického inžinierstva sú široko používané v medicíne, farmakológii a mikrobiológii. Napríklad pomocou molekulárnych testov (fragmentov DNA) je možné určiť, či je darcovská krv infikovaná vírusom AIDS.
Genetické technológie boli vyvinuté na zlepšenie vakcín a vytvorenie nových vakcín. Genetici vykonávajú výskum genetickej modifikácie vlastností mikroorganizmov potrebných na výrobu syra, vinárstvo, pečenie a výrobu fermentovaných mliečnych výrobkov.
Poľnohospodárstvo využíva modifikované mikróby na boj proti škodlivým vírusom, baktériám a hmyzu.
Bunkové inžinierstvo sa zaoberá genetickou manipuláciou jednotlivých buniek alebo skupín buniek. K úspechom bunkového inžinierstva patrí technika in vitro oplodnenia vajíčka s následnou implantáciou jeho embryí do maternice. V súčasnosti sú na svete desaťtisíce detí zo skúmavky.
Metódy bunkového inžinierstva sa používajú v chove zvierat na chov zvierat s určitými vlastnosťami, ktoré sú prospešné pre ľudí. V tomto prípade sa do vajíčok pokusných zvierat zavádzajú časti molekúl DNA, čím sa mení genotyp jedinca.
Pri pestovaní rastlín, aby sa skrátil čas reprodukcie a výrazne zvýšil počet nových exemplárov, používajú klonálna mikropropagácia(získanie rastlinného organizmu z jednej bunky).
Je však potrebné upozorniť na negatívny aspekt rozvoja genetického a bunkového inžinierstva: reálnou sa stáva možnosť získavania nových patogénnych vírusov a vytvárania nových typov bakteriologických zbraní, čo vedie nielen k destabilizácii a napätiu vo vzťahoch medzi krajinami, ale ohrozuje aj blahobyt ľudskej civilizácie.
V roku 1997 sa v tlači objavila informácia, že škótsky vedec J. Wilmut vyvinul metódu na klonovanie cicavcov, ktorej výsledkom bola naklonovaná ovca Dolly. Uskutočnilo sa 236 pokusov, z ktorých bol úspešný iba jeden - narodila sa ovca nesúca celý genotyp matky.
Potom sa čoraz častejšie začali objavovať diskusie o otázke klonovania ľudí. Technológie genetického inžinierstva sa skutočne približujú k riešeniu tohto problému. Malo by sa však pamätať na to, že klonovanie ľudí vyvolá množstvo etických, právnych a náboženských problémov, z ktorých najpálčivejšie budú pravdepodobne tieto:
♦ podkopávanie morálnych hodnôt ľudskosti;
♦ nepriaznivý vplyv na sociálnu a biologickú udržateľnosť ľudskej populácie;
♦ možný vznik civilizácie s inými morálnymi kritériami (alebo ich nedostatkom);
♦ vznik zločineckých spolkov výskumníkov využívajúcich výdobytky genetického inžinierstva na nezákonné účely.
Morálne a sociálne aspekty využívania výdobytkov genetiky v ľudských záujmoch si teda vyžadujú širokú diskusiu, pozornosť a verejnú kontrolu.
Samotestovacie otázky
1. Prečo je elektromagnetizmus atribútom existencie živej hmoty?
2. Čo znamená evolučno-synergický prístup pri opise prírody?
3. Čo je podstatou samoorganizácie v prírode vôbec a v živej hmote zvlášť?
4. Aká je úloha synergetiky pre moderný svetonázor?
5. Vymenujte hlavné vlastnosti samoorganizujúcich sa systémov.
6. Uveďte pojem bifurkačný strom ako model vývoja prírody, človeka a spoločnosti.
7. Definuj život z pohľadu rôznych vedcov. Pomenujte rozdiely medzi živou a neživou hmotou.
8. Popíšte štrukturálne úrovne organizácie živej hmoty.
9. Formulujte hlavné hypotézy vzniku života na Zemi.
10. Vymenujte hlavné etapy vzniku života podľa A.I.Oparina.
11. Opíšte bunku ako elementárnu jednotku živých vecí.
12. Vymenujte hlavné ustanovenia evolučnej teórie Charlesa Darwina. Ako sa syntetická evolučná teória líši od Darwinovej?
13. Aký je evolučný obraz sveta a globálny evolucionizmus?
14. Definujte dedičnosť a premenlivosť.
15. Čo definujú pojmy „dedičnosť“, „gén“, „genóm“, „genofond“?
16. Čo sú genotypy a fenotypy? Prečo sa všeobecne uznáva, že genotyp určuje fenotyp?
17. Definujte genetický kód a uveďte jeho vlastnosti.
18. Uveďte základné princípy hybridologickej analýzy.
19. Ktoré vlastnosti sa nazývajú dominantné a ktoré recesívne?
20. Ktoré organizmy sa nazývajú homozygotné a ktoré heterozygotné?
21. Uveďte modernú formuláciu Mendelových zákonov.
22. Aké sú znaky ľudskej genetiky? Uveďte hlavné metódy ľudskej genetiky.
Človek už dlho sníval o tom, že zvieratá, ktoré choval, budú väčšie, húževnatejšie a produktívnejšie. Aby ním pestované poľnohospodárske plodiny dozreli v čo najkratšom čase, neboli ovplyvnené škodcami a chorobami a rástli aj v podmienkach nízkych okolitých teplôt a absencie pravidelných dažďov.
Všetky tieto plány boli do určitej miery privedené k životu vďaka výberu, ale tento proces je veľmi zdĺhavý a nikto nemôže zaručiť úplný úspech. Okrem toho táto metóda v žiadnom prípade nepomôže spojiť vlastnosti niekoľkých druhov naraz v jednom organizme. Samozrejme, ak sa dokážu prirodzene krížiť, tak je to možné, no v iných prípadoch sa o požadovaných dedičných vlastnostiach môže len snívať.
Základné technológie
Hlavnou metódou na dosiahnutie takýchto výsledkov je bunkové inžinierstvo. Všetky jej techniky boli najpodrobnejšie rozpracované na niektorých mikroorganizmoch. Vo všeobecnosti sú ďalšie možnosti a vyhliadky tohto smeru jednoducho obrovské. Momentálne prebieha hĺbkový výskum na izoláciu jednotlivých génov, ktoré sa dajú integrovať do tela. Jednoducho povedané, bude možné vytvárať domáce zvieratá a rastliny, ktoré by mali presne definovaný súbor vlastností a mali požadovaný vzhľad.
Nemali by sme zabúdať, že bunkové inžinierstvo mikroorganizmov umožnilo získať „multifunkčné“ baktérie, ktoré napríklad dokážu biologicky rozložiť polyetylén. Modifikované baktérie sú navyše ideálnym materiálom na výrobu vakcín. Môžu byť úplne bezpečné (čo umožňuje použitie „živých“ liekov) kvôli úplnej absencii virulencie, ale majú celý súbor antigénov svojich „divokých“ predkov.
Nakoniec to bolo inžinierstvo rastlinných buniek, ktoré umožnilo vyvinúť slávne štvorcové vodné melóny a citróny bez semien. Práve jej vďačíme za vzhľad zemiakov, ktoré nejedia larvy a dospelí chrobáka zemiakového. Vďaka genetickému výskumu sa objavila pšenica, ktorá ľahko produkuje vynikajúcu úrodu na slaných (!) pôdach!
Metódy bunkového inžinierstva
Všetky rastlinné bunky majú vlastnosť totipotencie (to je stav, keď sa z jednej bunky môže vyvinúť celý organizmus). V poľnohospodárstve to poskytuje neobmedzené vyhliadky na experimenty so šľachtením nových druhov plodín užitočných pre ľudí. Bunkové inžinierstvo v chove zvierat je veľmi sľubné. V súčasnosti majú vedci bohaté skúsenosti s akumuláciou a skladovaním somatických buniek rôznych plemien zvierat in vitro. To platí najmä pre skladovanie materiálu pri nízkych teplotách.
Mimochodom, aké metódy bunkového inžinierstva zvierat existujú? Poďme o nich diskutovať.
Skoré oddelenie embryí
Dnes je sľubná najmä metóda oddeľovania skorých embryí. Prvý impulz k tomuto smerovaniu dal začiatok rozvoja transplantológie, ktorej metódy umožnili zachovať veľké množstvo získaných embryí. Vo všeobecnosti prvý úspešný experiment pri separácii embryonálneho materiálu v štádiách 2–8 vykonal Willard (v Cambridge, Anglicko). Nevýhodou tejto metódy je pracovná náročnosť, preto je možné túto operáciu vykonávať len v dobre vybavenom zdravotníckom zariadení.
Jednoducho povedané, ide o mimoriadne komplexnú biotechnológiu. Bunkové inžinierstvo dnes používa oveľa jednoduchšie metódy.
Neskoré oddelenie embryí
S embryonálnym materiálom tak vedci začali manipulovať až v neskorších štádiách (morula, blastocysta). Podstatou metódy je, že sa najprv otvorí priehľadná zóna (pellucida), potom sa embryo opatrne rozdelí na dve časti. Jedna polovica zostáva na rovnakom mieste, zatiaľ čo druhá časť sa prenesie na predtým pripravenú oblasť.
Ešte pred niekoľkými rokmi dosahovala miera prežitia embryí pomocou tejto techniky 50 – 60 %, zatiaľ čo dnes sa toto číslo už blíži k 80 %. Hlavným aplikovaným efektom je výrazné zvýšenie počtu teliat získaných od jedného výrobcu. Nie je prekvapujúce, že inžinierstvo živočíšnych buniek je odvetvie, ktoré nemá nedostatok financií.
Americkí vedci boli v týchto experimentoch prví. Boli to oni, ktorí dospeli k záveru, že ak je embryo zbavené priehľadnej membrány, potom prežije nie viac ako 15% prípadov, ale ak sa zachová priezračná vrstva, potom sa miera prežitia okamžite zvýši na 35% prípadov. Najoptimálnejšie výsledky sa dosiahnu, ak má každá polovica rozdeleného embrya priehľadnú membránu a každá časť je vložená do samostatného rohu maternice: v moderných podmienkach prežije až 75 % embryí.
Ale na aké účely sa bunkové inžinierstvo používa v praxi? Aké výsledky dosiahnete s jeho pomocou?
Význam bunkového inžinierstva v chove
Dnes sa táto technika čoraz viac využíva v medzinárodnom chove. Relatívne nedávno bola úspešne testovaná technika získavania a implantácie embryí ošípaným. Vedci sa domnievajú, že bunkové inžinierstvo môže zvýšiť počet potomkov jedného zvieraťa aspoň o 30-35%. Netreba však zabúdať ani na možnosť získania genetických kópií.
Takéto zvieratá majú takmer cenu zlata pre tých vedcov, ktorí študujú interakciu prostredia a genotypu. Faktom je, že prítomnosť dvoch úplne identických jedincov umožňuje minimalizovať vplyv vnútorných faktorov pri štúdiu vplyvu vonkajšieho prostredia na telo. Okrem toho môže byť jedno zviera z páru zabité, ak si výskum vyžaduje údaje o vnútornom stave tela.
Všetky tieto pokroky sú základnými metódami bunkového inžinierstva. Zabudli sme však hovoriť o najdôležitejšom smerovaní tohto odvetvia vedy, ktoré súvisí s umelou reguláciou pohlavia hospodárskych zvierat. Je čas napraviť tento nedostatok.
Metódy regulácie pohlavia
Určite nikoho neprekvapí, keď sa dozvie o neuveriteľnom význame vývoja v oblasti umelej regulácie pohlavia u hospodárskych zvierat. V súčasnosti vedci nevedia regulovať počet zvierat rovnakého pohlavia a veľké problémy sú s rozpoznaním pohlavia jedinca v raných štádiách jeho vývoja. V umelej regulácii tohto ukazovateľa sa zatiaľ dosiahol len veľmi malý pokrok: tento problém nedokáže úplne vyriešiť ani bunkové inžinierstvo a klonovanie.
Samozrejme, v ideálnom prípade by stálo za to jednoducho oddeliť spermie, ktoré nesú chromozómy X a Y. Práve týmto smerom by sa mal výskum vyvíjať. Iný prístup (ktorý je oveľa jednoduchší, a preto sa používa) je odstrániť skoré embryá zo ženského reprodukčného systému, určiť ich pohlavie a potom ich transplantovať.
Ale ako s tým všetkým súvisia metódy bunkového inžinierstva? Všetko je celkom jednoduché.
Je to všetko o cytologickej metóde, ktorá určuje typ embrya, XX alebo XY. To sa robí štúdiom chromatínu alebo pohlavných chromozómov. V posledných rokoch sa tiež zistilo, že pohlavie sa dá určiť štúdiom špecifických protilátok, ktoré sú u žien a mužov úplne odlišné. Existujú aj názory niektorých vedcov, že pohlavie možno určiť štúdiom aktivity glukózo-6-fosfátdehydrogenázy. V súčasnosti sú však najúčinnejšie cytologické a imunologické (štúdium protilátok) metódy.
Genetické inžinierstvo
Nie je náhoda, že názov tohto článku používa frázu „genetické a bunkové inžinierstvo“. Bez ohľadu na to, aké účinné sú metódy korekcie bunkového materiálu, práca priamo s génmi bude vždy oveľa efektívnejšia.
V súčasnosti sú to práve genetické metódy, ktoré postupne získavajú vedúcu úlohu v chove zvierat a rastlinnej výrobe na celom svete. Vďaka nim sa šľachtiteľská práca dostala na zásadne novú úroveň: vedci môžu odteraz nielen hádať, aké vlastnosti bude mať jedinec, ktorého stvoria, ale s istotou to vedia.
Okamžite treba poznamenať, že všetko nie je také dobré. Existujú určité obmedzenia. Faktom je, že na genetickú manipuláciu je povolený iba genetický materiál z býkov, ktorý dokáže vylepšiť svoje potomstvo (zlepšováky). Jediným problémom je, že takýchto zvierat je dnes extrémne málo. Okrem toho programy zamerané na eradikáciu mastitídy zatiaľ nepriniesli viditeľné výsledky. Jednoducho povedané, genetické a bunkové inžinierstvo nie je ani zďaleka všeliekom.
Samotné inžinierske metódy začali vznikať do jedného systému až v 50. rokoch minulého storočia. Jednou z hlavných prác, ktoré položili základ tomuto vednému odboru, boli teda pokusy o transplantácii bunkových jadier metódou Briggs a King. Spočiatku bola táto operácia úspešne vykonaná výlučne na žabách. V súčasnosti sa uskutočňujú úspešné experimenty s transplantáciou genetického materiálu aj u myší a väčších cicavcov.
Relatívne nedávno vedci vytvorili metódu prenosu jadra po fúzii karyoplastov. Navyše, metódy genetického a bunkového inžinierstva už umožňujú vytvárať chimérické organizmy na báze rôznych druhov cicavcov.
Gardner čoskoro vyvinul zásadne novú metódu, pri ktorej sa blastoméry implantujú do blastocyst príjemcu. Butler úspešne otestoval túto techniku na laboratórnych myšiach. Na základe tohto vývoja boli prvýkrát získané chiméry založené na organizme oviec.
Všetky vyššie opísané práce postupne pripravili svetovú poľnohospodársku vedu na rozsiahle zavedenie metód genetického inžinierstva. Najbežnejšou metódou je dnes prenos génového materiálu do kultivovaných buniek a ich následné zavedenie do blastocysty.
Ale skôr, než pochopíme niektoré aspekty tejto technológie, stojí za to zodpovedať dôležitú otázku. Presnejšie povedané, diskutujte o rozdieloch medzi genetickým inžinierstvom a bunkovým inžinierstvom. Vo všeobecnosti je tu všetko celkom jednoduché: ak v prvom prípade vedci pracujú priamo s genetickým materiálom, potom sa pri použití „bunkových“ metód berú na prácu celé organely a časti buniek, ktoré sa implantujú do materiálu príjemcu.
Rozšírená definícia
Čo je teda podstatou genetického inžinierstva? V polovici 70. rokov minulého storočia vedci urobili senzačný objav. Zistili, že niektoré mikrobiálne enzýmy sú schopné rozrezať molekulu DNA na požadovanom mieste. Jednoducho povedané, naskytla sa jedinečná príležitosť získať genetický materiál s prísne špecifikovanými vlastnosťami.
Výskumníkom sa konečne podarilo identifikovať konkrétne gény s presnou presnosťou a v prípade potreby ich aj naklonovať. Aké princípy vedú vedcov pri ich práci? Vo všeobecnosti existujú iba dve z nich:
- Gén musí mať nejakú jasnú charakteristiku, ktorá sa má zistiť.
- Izolovaný genetický materiál je potrebné pripojiť k nosiču (napríklad vírusu), ktorý vykoná jeho transplantáciu.
Jednoducho povedané, izolovaný gén z tela darcu sa musí preniesť do tela príjemcu, pre ktorý je cudzí. Hlavnou vecou v práci výskumníkov nie je len dosiahnuť jeho prihojenie, ale aj vytvoriť podmienky, za ktorých sa bude normálne replikovať.
Práca so zygotou
V posledných rokoch sa však rovnako rozšírila technika, pri ktorej sa cudzie gény vstrekujú do pronuklea zvieracích zygot. Prvýkrát bola táto metóda testovaná na oocytoch jazernej žaby: najprv sa do nich zaviedla určitá DNA a vedci okamžite zaznamenali integráciu a transkripciu. V roku 1981 sa prvýkrát uskutočnil zaujímavý experiment, počas ktorého bol do myšacej zygoty zavedený králičí gén gamaglobulín.
Gén vyzeral ako dlhý genómový tandem obsahujúci stabilné oblasti. Je zvláštne, že boli správne prepísané iba vtedy, ak boli úplne bez plazmidových zložiek. Expresia génov, ktoré boli vložené pomocou tejto metódy, bola podrobne študovaná na laboratórnych myšiach.
Rok pred pokusmi s myšou zygotou, v roku 1980, bol plazmid pBR322, ktorý obsahoval fragmenty SK40 a HSV vírusov, umiestnený do pronuklea tej istej myšacej zygoty. Výsledkom bolo, že vírusová DNA sa našla u troch myší zo 78 jedincov, ktorí sa zúčastnili experimentu. Napodiv, keď bol ľudský gamaglobulínový gén injikovaný, jeho integrácia bola pozorovaná už u piatich myší z 33 jedincov (viac ako 15 %). Táto skúsenosť už dokázala, že vytvorenie chimérických organizmov, ktoré by spájali znaky viacerých druhov naraz, je celkom možné.
Brinster a jeho nasledovníci a jeho študenti transplantovali špeciálne pripravený konštrukt do pronuklea myších zygot, ktorý zahŕňal myší metalotioneín, ako aj gén tymidínkinázy. V tomto prípade bola úplná integrácia pozorovaná už u 17 % laboratórnych zvierat.
Hlavné závery
V súčasnosti sa genetické inžinierstvo konečne stalo perspektívnym, diskutovaným odvetvím vedy. Takmer každý o tom vie. Aké sú však úlohy bunkového inžinierstva a práce s genetickým materiálom? Och, sú dosť rôznorodé.
Po prvé, vedci na celom svete stoja pred úlohou upokojiť a znížiť hlad na celej planéte. Metódy genetického a bunkového inžinierstva umožňujú vytvárať odrody rastlín a živočíšnych druhov, ktorých produktivita bude desaťkrát vyššia ako produktivita ich divokých predkov.
Po druhé, tento vedný odbor môže byť schopný prekonať problémy predčasného starnutia a iných genetických chorôb, na ktoré v súčasnosti neexistuje žiadny liek. Napokon, genetické inžinierstvo jedného dňa určite umožní výrazne predĺžiť život!
Odborníci tvrdia, že metódy genetického inžinierstva v blízkej budúcnosti umožnia nielen diagnostikovať genetické ochorenia (napríklad Downov syndróm) v extrémne skorých štádiách tehotenstva, ale ich aj efektívne liečiť!
Bunkové inžinierstvo je smer vo vede a šľachtiteľskej praxi, ktorý študuje metódy hybridizácie somatických buniek patriacich k rôznym druhom, možnosť klonovania tkanív alebo celých organizmov z jednotlivých buniek.
Jednou z bežných metód šľachtenia rastlín je haploidná metóda – získavanie plnohodnotných haploidných rastlín zo spermií alebo vajíčok.
Získali sa hybridné bunky, ktoré kombinujú vlastnosti krvných lymfocytov a nádorových buniek, ktoré sa aktívne reprodukujú. To vám umožní rýchlo a v správnom množstve získať protilátky.
Tkanivová kultúra– používa sa na získanie rastlinných alebo živočíšnych tkanív a niekedy aj celých organizmov v laboratórnych podmienkach. V pestovaní rastlín sa používa na urýchlenie produkcie čistých diploidných línií po ošetrení pôvodných foriem kolchicínom.
Genetické inžinierstvo– umelá, cielená zmena genotypu mikroorganizmov s cieľom získať plodiny s vopred určenými vlastnosťami.
Základná metóda– izolácia potrebných génov, ich klonovanie a zavedenie do nového genetického prostredia. Metóda zahŕňa nasledujúce fázy práce:
– izolácia génu, jeho spojenie s bunkovou molekulou DNA, ktorá môže reprodukovať donorový gén v inej bunke (zahrnutie do plazmidu);
– zavedenie plazmidu do genómu bakteriálnej bunky príjemcu;
– výber potrebných bakteriálnych buniek na praktické použitie;
– výskum v oblasti genetického inžinierstva sa netýka len mikroorganizmov, ale aj ľudí. Sú obzvlášť dôležité pri liečbe chorôb spojených s poruchami imunitného systému, systému zrážania krvi a onkológie.
Klonovanie. Z biologického hľadiska je klonovanie vegetatívne rozmnožovanie rastlín a živočíchov, ktorých potomstvo je nositeľom dedičnej informácie identickej s rodičom. V prírode sa klonujú rastliny, huby, prvoky, t.j. organizmy, ktoré sa rozmnožujú vegetatívne. V posledných desaťročiach sa tento termín začal používať, keď sa jadrá jedného organizmu transplantujú do vajíčka druhého. Príkladom takéhoto klonovania bola slávna ovca Dolly získaná v Anglicku v roku 1997.
Biotechnológia– proces využívania živých organizmov a biologických procesov pri výrobe liekov, hnojív a biologických prípravkov na ochranu rastlín; na biologické čistenie odpadových vôd, na biologické získavanie cenných kovov z morskej vody a pod.
Začlenenie génu zodpovedného za tvorbu inzulínu u ľudí do genómu Escherichia coli umožnilo zaviesť priemyselnú výrobu tohto hormónu.
V poľnohospodárstve boli geneticky modifikované desiatky potravinárskych a kŕmnych plodín. V chove zvierat použitie biotechnologicky vyrobeného rastového hormónu zvýšilo dojivosť;
pomocou geneticky modifikovaného vírusu na vytvorenie vakcíny proti herpesu u ošípaných. Pomocou novosyntetizovaných génov zavedených do baktérií sa získava množstvo dôležitých biologicky aktívnych látok, najmä hormónov a interferónu. Ich výroba predstavovala dôležité odvetvie biotechnológie.
Ako genetické a bunkové inžinierstvo napreduje, spoločnosť sa čoraz viac obáva možnej manipulácie s genetickým materiálom. Niektoré obavy sú teoreticky opodstatnené. Nemožno napríklad vylúčiť transplantáciu génov, ktoré zvyšujú odolnosť niektorých baktérií voči antibiotikám a vytváranie nových foriem potravinových produktov, ale tieto práce sú kontrolované štátmi a spoločnosťou. V každom prípade je nebezpečenstvo z chorôb, podvýživy a iných šokov oveľa väčšie ako z genetického výskumu.
Perspektívy genetického inžinierstva a biotechnológie:
– vytváranie organizmov užitočných pre ľudí;
– získavanie nových liekov;
- korekcia a korekcia genetických patológií.
Na liečbu mnohých chorôb sú potrebné rôzne biologicky aktívne látky. Pri ich izolácii z ľudského tkaniva vzniká nebezpečenstvo kontaminácie výsledného materiálu rôznymi vírusmi (hepatitída B, ľudská imunodeficiencia a pod.). Okrem toho sa tieto látky vyrábajú v malých množstvách a sú drahé. Biologicky aktívne látky živočíšneho pôvodu sú neúčinné z dôvodu nezlučiteľnosti s imunitným systémom chorého človeka. Až rozvoj nového odvetvia genetického inžinierstva pomohol zabezpečiť výrobu čistých biologicky aktívnych látok vo veľkých množstvách za nižšiu cenu.
Genetické inžinierstvo- ide o vytvorenie hybridných, rekombinantných molekúl DNA, a teda organizmov s novými vlastnosťami. Na to je potrebné izolovať gén z organizmu alebo ho umelo syntetizovať, naklonovať (namnožiť) a preniesť do iného organizmu.
Nástrojom genetického inžinierstva sú enzýmy: reštrikčné enzýmy (rozrezávajú molekulu DNA) a ligázy (spájajú ju dohromady). Vírusy sa používajú ako vektory.
Pomocou genetického inžinierstva boli vytvorené kmene Escherichia coli, do ktorých sú vložené gény pre ľudský inzulín (nevyhnutný pri liečbe cukrovky), interferón (antivírusový liek) a somatotropín (rastový hormón).
Kvasinkové bunky boli geneticky upravené tak, aby produkovali ľudský inzulín. Biosyntetický spôsob výroby ľudského inzulínu pomocou kvasinkových buniek je široko používaný vo farmaceutickej výrobe (v Dánsku, Juhoslávii, USA, Nemecku a ďalších krajinách).
V súčasnosti vedci z rôznych krajín pracujú na tom, aby pomocou genetického inžinierstva získali množstvo ďalších potrebných biologicky aktívnych látok, vakcínu proti hepatitíde B, profibrinolyzínový aktivátor (antikoagulant), interleukín-2 (imunomodulátor) atď.
Cudzie gény sa zavádzajú do živočíšnych buniek vo forme jednotlivých molekúl DNA alebo ako súčasť vírusových vektorov schopných zaviesť cudziu DNA do bunkového genómu. Zvyčajne sa používajú dva spôsoby:
1) DNA sa pridá do bunkového inkubačného média;
2) produkovať mikroinjekcie DNA priamo do jadra (čo je efektívnejšie).
Primárnymi úlohami genetického inžinierstva u ľudí je vytváranie ľudských génových bánk na ich štúdium a hľadanie spôsobov génovej terapie, teda náhrady mutantných génov normálnymi alelami.
Bunkové inžinierstvo je spôsob konštrukcie nového typu buniek založený na ich kultivácii, hybridizácii alebo rekonštrukcii. Hybridizácia umelo spája celé bunky (niekedy aj zo vzdialených druhov) za vzniku hybridnej bunky. Bunková rekonštrukcia je vytvorenie životaschopnej bunky z jednotlivých fragmentov rôznych buniek (jadro, cytoplazma, chromozómy atď.).
Štúdium hybridných buniek umožňuje riešiť mnohé problémy v biológii a medicíne. Napríklad biotechnológia využíva hybridómy. Hybridóm je bunkový hybrid získaný fúziou normálneho lymfocytu a nádorovej bunky. Má schopnosť syntetizovať monoklonálne (homogénne) protilátky požadovanej špecifickosti (vlastnosť lymfocytu) a neobmedzeného rastu v umelom prostredí (vlastnosť nádorovej bunky).
Biotechnológia- je výroba produktov a materiálov potrebných pre človeka pomocou biologických predmetov.
Pojem „biotechnológia“ sa rozšíril v polovici 70-tych rokov 20. storočia, hoci určité odvetvia biotechnológie sú už dlho známe a sú založené na využití rôznych mikroorganizmov: pečenie, vinárstvo, pivovarníctvo, výroba syrov. Pokroky v genetike vytvorili veľké dodatočné príležitosti pre rozvoj biotechnológie.
V polovici 20. stor. a v jeho druhej polovici sa pomocou indukovanej mutagenézy získali antibiotiká (penicilín, streptomycín, erytromycín atď.) – pomocou mikróbov; enzým amyláza - pomocou Bacillus subtilis, aminokyseliny - pomocou Escherichia coli; kyselina mliečna - pomocou baktérií mliečneho kvasenia; kyselina citrónová - pomocou plesne aspergillus; Vitamíny skupiny B – pomocou droždia.
