GENETIC ENGINEERING(syn. genetic engineering) - isang direksyon ng pananaliksik sa molecular biology at genetics, ang pangwakas na layunin kung saan ay upang makuha, gamit ang mga diskarte sa laboratoryo, mga organismo na may bago, kabilang ang mga hindi matatagpuan sa kalikasan, mga kumbinasyon ng mga namamana na katangian. Sa puso ni G. at. ang posibilidad ng may layuning pagmamanipula sa mga fragment ng nucleic acid dahil sa pinakabagong mga nagawa ng molecular biology at genetics ay kasinungalingan. Kasama sa mga tagumpay na ito ang pagtatatag ng pagiging pangkalahatan ng genetic code (tingnan), iyon ay, ang katotohanan na sa lahat ng mga nabubuhay na organismo ang pagsasama ng parehong mga amino acid sa isang molekula ng protina ay naka-encode ng parehong mga pagkakasunud-sunod ng nucleotide sa chain ng DNA; ang mga tagumpay ng genetic enzymology, na nagbigay sa mananaliksik ng isang hanay ng mga enzyme na ginagawang posible na makakuha ng hiwalay na mga gene o mga fragment ng nucleic acid sa isang nakahiwalay na anyo, upang isakatuparan ang in vitro synthesis ng mga fragment ng nucleic acid sa - t, upang pagsamahin ang nakuha na mga fragment sa isang solong kabuuan. Kaya, ang pagbabago ng mga namamana na katangian ng isang organismo sa pamamagitan ng G. at. ay nabawasan sa pagtatayo ng bagong genetic na materyal mula sa iba't ibang mga fragment, ang pagpapakilala ng materyal na ito sa organismo ng tatanggap, ang paglikha ng mga kondisyon para sa paggana nito at matatag na mana.
Ang isa sa mga paraan upang makakuha ng mga gene ay chem. synthesis. Pagkatapos Holly (A. Holli) sa USA, A. A. Baev sa USSR at iba pang mga mananaliksik pinamamahalaang upang maintindihan ang istraktura ng iba't-ibang transportasyon RBGK (tRNA), X. Koran et al., natupad ang isang chem. synthesis ng DNA encoding yeast alanine tRNA ng panadero.
Ngunit ang pinaka-epektibong paraan ng artipisyal na gene synthesis ay nauugnay sa paggamit ng enzyme RNA-dependent DNA polymerase (reverse transcriptase) na natuklasan ni Baltimore (D. Baltimore) at Temin (H. Temin) sa mga oncogenic na virus (tingnan). Ang enzyme na ito ay na-isolate at na-purify mula sa mga cell na nahawaan ng ilang partikular na RNA-containing oncogenic virus, kabilang ang avian myeloblastosis virus, Rous sarcoma, at mouse leukemia. Ang reverse transcriptase ay nagbibigay ng DNA synthesis sa messenger RNA (mRNA) template. Ang paggamit ng mga molekula ng mRNA bilang mga template para sa synthesis ng DNA ay lubos na nagpapadali sa artipisyal na synthesis ng mga indibidwal na istrukturang gene ng mas mataas na mga organismo, dahil ang pagkakasunud-sunod ng mga nitrogenous na base sa isang molekula ng mRNA ay isang eksaktong kopya ng pagkakasunud-sunod ng mga nitrogenous na base ng kaukulang mga istrukturang gene, at ang pamamaraan para sa paghihiwalay ng iba't ibang mga molekula ng mRNA ay lubos na binuo. Ang mga pag-unlad sa paghihiwalay ng globin protein mRNA, na bahagi ng hemoglobin ng tao, hayop at ibon, eye lens protein mRNA, immunoglobin mRNA, mRNA ng isang partikular na malignant na tumor (myeloma) na protina, ay naging posible na i-synthesize ang istrukturang bahagi ng mga gene na naka-encode ng ilang ng mga protina na ito gamit ang reverse transcriptase.
Gayunpaman, ang mga structural genes sa katawan ay gumagana kasama ng mga regulatory genes, ang nucleotide sequence na kung saan ay hindi muling ginawa ng mRNA molecule. Samakatuwid, wala sa mga pamamaraang ito ang nagpapahintulot sa synthesis ng isang hanay ng mga structural at regulatory genes. Ang solusyon sa problemang ito ay naging posible pagkatapos ng pagbuo ng mga pamamaraan para sa paghihiwalay ng mga indibidwal na gene. Upang ihiwalay ang mga bacterial genes, ginagamit ang maliliit na DNA-containing cytoplasmic structures na maaaring mag-replicate (tingnan ang Replication) nang hiwalay sa bacterial chromosome. Ang mga istrukturang ito ay bumubuo ng isang solong pangkat ng mga extrachromosomal genetic na elemento ng bakterya - plasmids (tingnan ang Plasmids). Ang ilan sa mga ito ay maaaring ipasok sa bacterial chromosome, at pagkatapos ay kusang-loob o sa ilalim ng impluwensya ng mga inducing agent, halimbawa. Ang pag-iilaw ng UV, lumipat mula sa chromosome patungo sa cytoplasm, kasama nito ang mga katabing chromosomal genes-cells ng host. Ang mga extrachromosomal genetic na elemento ng bakterya na may ganitong mga katangian ay tinatawag na mga episome [F. Jacob, Wollman (E. Wollman)]. Kasama sa mga episode (tingnan) ang mga temperate phage (tingnan ang. Bacteriophage), sex factor ng bacteria, drug resistance factor ng microorganisms (tingnan), bacteriocinogenic factor (tingnan). Sa cytoplasm, ang mga gene na nakunan ng mga episome ay gumagaya sa kanilang komposisyon at kadalasang bumubuo ng maraming kopya. Ang pagbuo ng isang epektibong paraan para sa paghihiwalay ng mga plasmid, sa partikular na mga temperate phage na nagdadala ng genetic na materyal ng bacterial chromosome, at paghihiwalay ng isang fragment ng bacterial cell chromosome na kasama sa bacteriophage genome ay naging posible noong 1969 para kay J. Beckwith et al. ihiwalay ang lactose operon, isang pangkat ng mga gene na kumokontrol sa synthesis enzymes na kailangan para sa pagsipsip ng lactose ng Escherichia coli. Ang isang katulad na pamamaraan ay ginamit upang ihiwalay at linisin ang gene na kumokontrol sa synthesis ng Escherichia coli tyrosine transfer RNA (tingnan ang Ribonucleic acids).
Ang paggamit ng mga plasmid ay ginagawang posible na makakuha ng halos anumang bacterial genes sa hiwalay na anyo, at, dahil dito, ang posibilidad ng pagbuo ng mga molekula ng DNA mula sa iba't ibang mga mapagkukunan. Ang ganitong mga hybrid na istruktura ay maaaring maipon sa mga cell sa mga makabuluhang dami, dahil maraming mga plasmid sa ilalim ng ilang mga kundisyon ay masinsinang gumagaya sa bacterial cytoplasm, na bumubuo ng sampu, daan-daan, at kahit libu-libong mga kopya.
Ang mga tagumpay ni G. at. nauugnay sa pagbuo ng mga diskarte para sa pagsasama-sama ng mga istrukturang genetic mula sa iba't ibang mga mapagkukunan sa isang solong molekula ng DNA. Ang mapagpasyang kadahilanan sa disenyo ng mga hybrid na molekula sa vitro ay ang paggamit ng mga restriction endonucleases - mga espesyal na enzyme na may kakayahang pagputol ng mga molekula ng DNA sa mahigpit na tinukoy na mga lugar. Ang ganitong mga enzyme ay matatagpuan sa mga selulang Escherichia coli na nagdadala ng mga R-type na plasmid, na nagdudulot ng resistensya ng bakterya sa ilang partikular na gamot, sa mga selula ng Haemophilus influenzae, Serratia marcescens at iba pang mga mikroorganismo. Ang isa sa mga pinakakaraniwang ginagamit na enzyme ng ganitong uri ay ang EcoRI restriction endonuclease, na na-synthesize ng RI plasmid sa E. coli cells. Kinikilala ng enzyme ang isang seksyon ng DNA na may natatanging pagkakasunud-sunod ng anim na pares ng base at pinuputol ang double-stranded na istraktura ng DNA sa seksyong ito upang ang mga single-stranded na dulo ng apat na nucleotide ay nabuo sa magkabilang panig (tinatawag na malagkit na mga dulo). Dahil pinuputol ng enzyme ang mga molekula ng DNA, anuman ang kanilang pinagmulan, sa isang mahigpit na tinukoy na paraan, lahat ng mga fragment ng DNA na nagreresulta mula sa pagkilos ng enzyme ay magkakaroon ng parehong malagkit na dulo. Ang mga pantulong na malagkit na dulo ng anumang mga fragment ng DNA ay pinagsama ng mga bono ng hydrogen, na bumubuo ng isang hybrid na pabilog na DNA (Fig.). Upang patatagin ang hybrid na molekula ng DNA, ginagamit ang isa pang enzyme - polynucleotide ligase, na nagpapanumbalik ng mga covalent bond na sinira ng restriction enzyme. Ang sequence na partikular na kinikilala ng EcoRI ay nangyayari sa DNA na hindi hihigit sa 4,000-16,000 base pairs ang pagitan. Samakatuwid, ang isang fragment ng DNA na nabuo sa ilalim ng pagkilos ng EcoRI ay maaaring magsama ng hindi bababa sa isang gene na hindi nasira ng enzyme (sa karaniwan, ang isang gene ay naglalaman ng 1000–1500 na pares ng base).
Ang paggamit ng mga restriction endonucleases at isang bilang ng iba pang mga enzyme ay ginagawang posible upang makakuha ng kumplikadong recombinant na DNA. Ang isang pangkat ng mga mananaliksik sa Estados Unidos na pinamumunuan ni P. Berg ay pinamamahalaang upang pagsamahin ang genetic na impormasyon mula sa tatlong mapagkukunan bilang bahagi ng isang molekula ng DNA: ang kumpletong genome (tingnan) ng oncogenic monkey virus SV40, bahagi ng genome ng temperate bacteriophage λ at ang pangkat ng E. coli genes na responsable para sa assimilation galactose. Ang idinisenyong recombinant molecule ay hindi sinubukan para sa functional na aktibidad, dahil ang mga may-akda ng gawaing ito ay huminto bago ang potensyal na panganib ng pagkalat ng mga oncogenic na virus ng hayop sa populasyon ng bakterya na naninirahan sa bituka ng tao. Ito ay kilala na ang purified DNA ng mga virus ay maaaring tumagos sa iba't ibang mga mammalian cell at maging matatag na minana ng mga ito.
Sa unang pagkakataon, ang mga functionally active na hybrid na molekula ng DNA ay itinayo sa USA ni S. Cohen et al. Ang grupo ni Cohen ay patuloy na nilutas ang problema ng pagsasama-sama at pag-clone (selective accumulation) ng mga molekula ng DNA na nakahiwalay sa mga species na lalong malayo sa isa't isa sa phylogenetic terms. Ang pamamaraan ng pag-clone ay karaniwang binubuo sa katotohanan na ang DNA mula sa iba't ibang mga mapagkukunan ay pira-piraso gamit ang restriction endonucleases, pagkatapos ang mga fragment na ito ay pinagsama sa vitro sa isang karaniwang istraktura at ipinakilala sa organismo ng tatanggap, na sa mga eksperimento ni Cohen ay Escherichia coli. Naitatag na ang mga cell ng ilang bacterial species (kabilang ang Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus) ay maaaring mabago (tingnan ang Transformation) gamit ang mga recombinant na molekula ng DNA. Sa kasong ito, ang plasmid na bahagi ng hybrid molecule (o isa sa mga plasmids, kung ang dalawang plasmids mula sa iba't ibang mapagkukunan ay pinagsama sa hybrid molecule) ay nagsisilbing vector, ibig sabihin, tinitiyak ang paglipat ng phylogenetically alien genetic material sa mga cell ng tatanggap at pagpaparami nito sa kanila. Ang unang plasmid na ginamit ni Cohen et al. bilang isang vector ay ang plasmid pSC101 na nakuha niya sa vitro, na kumokontrol sa paglaban ng bakterya sa tetracycline. Ang maliit na plasmid na ito ay 8000 bp lamang ang haba. Ito ay inaatake ng EcoRI enzyme sa isang site lamang, at ang enzyme ay hindi nakakasira sa kakayahan ng plasmid na pagkatapos ay magtiklop sa E. coli cells at kontrolin ang tetracycline resistance. Ang mga tampok na ito ay naging posible na gamitin ito para sa pagbuo ng mga hybrid na molekula ng DNA sa vitro. Sa mga unang yugto, ang plasmid DNA na nakahiwalay mula sa iba't ibang mga species ng bakterya at pagkatapos ay mula sa mas mataas na mga organismo ay naka-attach sa pSC101. Kaya, nilikha ang "chimeric" plasmids (iyon ay, hindi maaaring mangyari sa mga natural na kondisyon), na pinagsama sa kanilang komposisyon ang genetic na materyal ng Escherichia coli, isang segment ng DNA mula sa mga oocytes ng clawed frog Xenopus laevis, na kumokontrol sa synthesis ng ribosomal RNA, at isang DNA segment ng isang sea urchin na kumokontrol sa synthesis ng histone protein, o mouse mitochondrial DNA. Sa mga selula ng Escherichia coli, kung saan ipinakilala ang naturang hybrid, "chimeric" plasmids, ang gawain ng mga gene ng mas mataas na organismo ay nakarehistro.
Hindi tulad ng pSC101, na naroroon sa cell lamang sa 4-6 na kopya, ang ilang iba pang mga plasmid na ginamit bilang mga vector ay maaaring magtiklop ng maraming beses sa ilalim ng ilang mga kundisyon, na bumubuo ng ilang libong kopya sa isang cell. Ang ganitong mga katangian ay nagtataglay, halimbawa, ng ColEI plasmid, na kumokontrol sa synthesis ng colicin (tingnan ang Bacteriocinogeny). Tulad ng pSC101, ang ColEI ay pinuputol ng EcoRl enzyme sa isang site lamang, at ang dayuhang DNA, na ginagamot din sa EcoRI, ay madaling nakakabit sa nagreresultang linear na molekula na may malagkit na dulo. Kaya, ang mga gene ng tryptophan operon ng Escherichia coli ay "natahi" sa ColEI. Sa mga cell na nagdadala ng maraming kopya ng itinayong hybrid plasmid, ang produksyon ng mga enzyme protein na kinokontrol ng tryptophan biosynthesis genes ay tumaas nang husto. Sa in vitro system, posibleng ilakip ang ColEI plasmid sa ilang mga R-factor at isang temperate phage. Ang nasabing gawain ay unang isinagawa sa USSR sa ilalim ng gabay ng Academician A. A. Baev at Propesor S. I. Alikhanyan. Ang pinagsamang mga plasmid ng vector na nabuo ng ColEI at R-factor ay nagagawang dumami nang husto sa mga selulang bacterial, tulad ng ColEI, at sa parehong oras ay tinutukoy ang paglaban ng mga selula sa mga antibiotic, na lubos na nagpapadali sa pagpili ng mga bakterya - mga carrier ng hybrid plasmids.
Ang mga temperate phage ay ginagamit din bilang mga vector. Ang mga hybrid na particle ng bacteriophage ay itinayo sa in vitro system, na kinabibilangan ng mga bacterial genes, DNA ng iba pang mga phage o mas mataas na organismo (halimbawa, DNA ng Drosophila fruit fly) sa kanilang istraktura.
Ang functional na aktibidad ng hybrid DNA ay natutukoy sa pamamagitan ng posibilidad ng kanilang paglipat sa mga selula ng mga organismo ng tatanggap at kasunod na pagpaparami (pagpapalakas) sa mga selulang ito. Bilang mga tatanggap, hindi lamang bakterya, tulad ng nabanggit sa itaas, kundi pati na rin ang mga selula ng mas mataas na mga organismo ay epektibong ginagamit, sa ngayon, gayunpaman, sa anyo lamang ng isang tissue culture na nilinang sa labas ng katawan. May mga indikasyon na ang DNA ng mga phage na nagdadala ng bacterial genes ay maaaring tumagos sa mga selula ng connective tissue ng tao (fibroblasts), sa mga protoplast, o sa isang hindi natukoy na kultura (callus) ng mga selula ng halaman. Noong 1971, si Amer. Ang mananaliksik na si Merrill (S. R. Merril) et al., ay nag-ulat sa mga eksperimento upang itama ang isang namamana na depekto - galactosemia (tingnan) sa pamamagitan ng pagpapakilala sa mga "may sakit" na mga selula ng galactose genes ng mga bakterya na kasama sa DNA ng transducing phage. Bilang isang resulta, ang mga selula ng isang pasyente na may galactosemia, may depekto sa enzyme beta-D-galactose-1-phosphate uridyltransferase, hindi ma-assimilate ang galactose, ibinalik ang kanilang normal na kakayahang lumaki sa pagkakaroon ng galactose, at ang dating walang aktibidad na enzymatic ay nakarehistro sa kanilang mga extract. Ang isang katulad na resulta ay nakuha ni Horst (J. Horst) et al, sa pagpapakilala ng isang bacterial gene na kumokontrol sa synthesis ng beta-galactosidase sa mga fibroblast ng isang pasyente na may pangkalahatan gangliosidosis, na nailalarawan sa pamamagitan ng isang matinding kakulangan ng enzyme na ito. Manion (W. Munyon) at ang kanyang mga katuwang. gamit ang herpes virus, inilipat nila ang gene na kumokontrol sa synthesis ng thymidine kinase mula sa mga selula ng tao patungo sa mga selula ng mouse, na nagpapanumbalik ng kakayahan ng mga may sira na mouse fibroblast na i-synthesize ang enzyme na ito.
Ang isa sa mga paraan upang ilipat ang genetic na impormasyon sa kultura ng mga cell ng tao, hayop at halaman ay ang hybridization ng mga somatic cells, na binuo nina Ephrussi (V. Ephrussi) at Barsky (G. Barski). Ang pagiging epektibo ng pamamaraang ito ay bumuti nang malaki mula nang matuklasan na ang mga particle ng hindi aktibo na Sendai-type na parainfluenza virus ay nagpapataas ng dalas ng cell fusion mula sa isang malawak na iba't ibang mga mapagkukunan. Ang posibilidad ng paglilipat ng mga indibidwal na gene mula sa mga nakahiwalay na Chinese hamster chromosome sa mouse connective tissue cells ay ipinakita. Ang mga hybrid ng mga cell ng tao at mouse ay inilalarawan, kung saan ang bahagi ng mga chromosome ng tao ay tinanggal, habang ang iba pang bahagi ay nananatiling aktibo sa pagganap. Ang pag-unlad ng mga pamamaraan ng cell microsurgery ay naging posible upang i-transplant ang cell nuclei mula sa mga somatic cells sa mga fertilized na itlog at, bilang isang resulta, makakuha ng ganap na magkaparehong mga organismo. Ang pag-hybrid ng cell ay naging posible upang mapukaw ang synthesis ng globin ng tao sa mga cell ng mikrobyo ng palaka. Ang lahat ng mga halimbawang ito ay nagpapakita ng potensyal ni G. at.
Praktikal na halaga ng G. at. para sa gamot ay nauugnay sa mga prospect para sa pagwawasto ng namamana metabolic defects sa mga tao (tingnan ang Gene therapy), na lumilikha ng mga microorganism na nawala ang kanilang pathogenicity, ngunit pinanatili ang kakayahang bumuo ng kaligtasan sa sakit, ang synthesis ng antibiotics, amino acids, hormones, bitamina, enzymes, immunoglobulins, atbp., batay sa paggamit ng mga microorganism na may kasamang kaukulang mga gene. Ang mga pambihirang resulta ay maaaring makuha sa malapit na hinaharap G. at. halaman. Sa tulong ng mga pamamaraan ni G. at. sinusubukan nilang lumikha ng mga halaman na maaaring sumipsip ng atmospheric nitrogen at mapabuti ang komposisyon ng protina ng mga pagkaing halaman. Ang matagumpay na solusyon ng mga problemang ito ay kapansin-pansing magpapataas ng produktibidad ng mga halaman, bawasan ang produksyon at pagkonsumo ng mineral nitrogen, at sa gayon ay makabuluhang mapabuti ang kapaligiran (tingnan). Ang posibilidad ng paglikha ng ganap na bagong mga anyo ng mga hayop at halaman sa pamamagitan ng pagtagumpayan ng mga interspecific na hadlang ng interbreeding ay pinag-aaralan. Gayunpaman sa pagtatasa ni G. at. bilang isang bagong paraan ng pag-master ng wildlife, dapat isaalang-alang hindi lamang ang posibleng rebolusyonaryong papel nito sa biology, medisina at agrikultura, kundi pati na rin ang mga pagkakataong nagmumula kaugnay ng pag-unlad nito para sa paglitaw ng mga bagong anyo ng mga pathogenic microorganism, ang panganib ng pagkalat ng hybrid na DNA sa mga populasyon ng bakterya na naninirahan sa mga tao, nagdadala ng mga Oncogenic na virus, atbp. Siyempre, ang sadyang paggamit ng mga nagawa ng agham, kabilang ang G. at., para sa hindi makatao, misanthropic na mga layunin ay posible lamang sa isang lipunan kung saan ang ang kabutihan ng tao ay isinakripisyo sa tubo at pagsalakay.
Mula sa mga karagdagang materyales
Ang genetic engineering ay patuloy na isang mabilis na sumusulong na paraan ng pananaliksik sa molecular biology at genetics. Dapat pansinin na ang mga konsepto ng "genetic engineering" at "genetic engineering" ay hindi ganap na magkasingkahulugan, dahil ang pananaliksik na may kaugnayan sa genetic engineering ay hindi limitado sa mga manipulasyon na may mga gene tulad nito. Sa kasalukuyan, ang mga pamamaraan ng genetic engineering ay nagbibigay-daan para sa pinakamalalim at detalyadong pagsusuri ng mga natural na nucleic acid - mga sangkap na responsable para sa pag-iimbak, paghahatid at pagpapatupad ng genetic na impormasyon (tingnan ang Nucleic acids.), Pati na rin ang lumikha ng binago o ganap na mga bago na hindi matatagpuan sa kalikasan. mga gene (tingnan ang gene), mga kumbinasyon ng mga gene at ipinapahayag ang mga ito nang may mataas na kahusayan sa isang buhay na selula (tingnan ang pagpapahayag ng gene). Sa mga tiyak na praktikal na tagumpay ng genetic engineering sa huling dekada, ang pinakamahalaga ay ang paglikha ng mga producer ng biologically active proteins - insulin (tingnan), interferon (tingnan), growth hormone (tingnan ang Somatotropic hormone), atbp., pati na rin. bilang ang pagbuo ng genetic engineering pamamaraan activation ng mga link ng isang metabolismo, to-rye ay konektado sa pagbuo ng mga low-molecular biologically active substances. Sa ganitong paraan, ang mga producer ng ilang mga antibiotics, amino acids at bitamina ay nakukuha, maraming beses na mas epektibo kaysa sa mga producer ng mga sangkap na ito, na nakuha ng mga tradisyonal na pamamaraan ng genetika at pagpili. Ang mga pamamaraan ay binuo para sa pagkuha ng mga purong protina na bakuna laban sa hepatitis, influenza, herpes, at mga virus ng sakit sa paa at bibig, ang ideya ng paggamit ng pagbabakuna na may vaccinia virus ay ipinatupad, sa genome kung saan ang mga gene na naka-encode ng synthesis ng mga protina ng iba pang mga virus (halimbawa, hepatitis o mga virus ng trangkaso) ay naka-embed: bilang resulta Ang mga pagbabakuna na may virus na binuo sa ganitong paraan, ang katawan ay nagkakaroon ng kaligtasan sa sakit hindi lamang laban sa bulutong, kundi pati na rin laban sa hepatitis, trangkaso o iba pang mga sakit na dulot ng virus na iyon, ang protina na to-rogo ay naka-encode ng built-in na gene.
Ang pandaigdigang koleksyon ng mga restriction endonucleases - restrictases, ang pangunahing "mga tool" ng genetic engineering manipulations, ay lumago nang malaki. Higit sa 400 paghihigpit sa "pagkilala" apprx. 100 partikular na mga site (mga site) ng iba't ibang istraktura sa mga molekula ng DNA (tingnan ang mga Deoxyribonucleic acid) at hinahati ang DNA polynucleotide chain sa mga site na ito. Sa tulong ng isang ganoong enzyme o kumbinasyon ng ilang restriction enzymes, halos anumang gene ay maaaring ihiwalay bilang bahagi ng isa o higit pang mga fragment ng DNA (tinatawag na restriction fragment). Pinalawak nito ang mga posibilidad ng genetic engineering hindi lamang na may kaugnayan sa paghihiwalay ng mga gene, ngunit din na may kaugnayan sa pag-activate ng kanilang trabaho, ang pagsusuri ng istraktura ng mga gene at ang kanilang molekular na kapaligiran. Ang mga pamamaraan para sa synthesis ng buong genes na may isang naibigay na pagkakasunud-sunod ng mga nucleotides ay binuo, naging posible na magbigay ng synthesized at natural na mga gene na may iba't ibang mga regulatory nucleotide sequence, palitan, ipasok, tanggalin ang mga solong nucleotides sa mahigpit na tinukoy na mga seksyon ng isang gene, paikliin o kumpletuhin ang nucleotide chain nito na may katumpakan ng isang nucleotide.
Ang tagumpay ng genetic engineering ay ang pagtagos nito sa organisasyon at paggana ng mga mekanismo ng pagmamana sa mga selula ng mas mataas na mga organismo, kabilang ang mga tao. Nasa mas mataas na eukaryotes na ang pinaka-kagiliw-giliw na data ay nakuha gamit ang mga pamamaraan ng genetic engineering. Ang tagumpay ng genetic engineering ay higit na nauugnay sa paggawa ng mga bagong dalubhasang vector na nagpapahintulot sa mahusay na pag-clone (pagpapalaganap) ng mga indibidwal na fragment ng DNA (mga gene) at pag-synthesize ng mga protina na naka-encode ng mga gene na ito.
Ang mga fragment ng paghihigpit na konektado sa mga vector ng DNA ay na-clone sa isang buhay na cell gamit ang kakayahan ng mga naturang vector na magparami (magkopya) sa isang cell sa maraming kopya. Depende sa laki ng mga fragment na i-clone at ang layunin ng pag-aaral, ang mga vector ng isa sa apat na uri ay ginagamit - plasmids (tingnan), phages (tingnan. Bacteriophage), cosmids o derivatives ng phages na may single-stranded DNA.
Para sa pag-clone ng medyo maliit na mga fragment ng DNA (hanggang sa 10 libong mga pares ng base), ginagamit ang mga plasmid vectors (pBR322, pAT 153, pUR250, pUC19, atbp.). Ang tagumpay ng genetic engineering sa mga nakaraang taon ay ang paggawa ng mga vectors batay sa phage X (Charon 4A, gtwes-B), kung saan ang bahagi ng genome ay pinalitan ng isang fragment ng dayuhang DNA. Ang hybrid genome ay artipisyal na "naka-pack" sa isang protina na amerikana at ang bakterya ay nahawaan ng muling itinayong phage na ito. Bumubuo ng ilang libong mga kopya sa cell sa panahon ng pagpaparami, ang reconstructed phage lyses ito at inilabas sa medium ng kultura. Sa tulong ng naturang mga vectors, ang mga fragment ng DNA na 10-25 thousand base pairs ay na-clone.
Ang mga cosmid vectors (pIB8, MUA-3) ay isang hybrid ng phage X at isang plasmid. Naglalaman sila ng tinatawag na Ang mga sequence ng COS ng phage DNA ay kinakailangan para sa pag-package ng mga phage genome sa isang shell ng protina, at isang segment ng plasmid DNA na nagpapahintulot sa mga cosmid vector na mag-replika sa bacteria sa parehong paraan tulad ng ginagawa ng mga plasmid. Kaya, ang nagreresultang recombinant genome ay nakakahawa sa bakterya na may mataas na kahusayan tulad ng isang bacteriophage, ngunit dumarami sa kanila tulad ng isang plasmid nang hindi nagiging sanhi ng pagkamatay ng isang bacterial cell. Ang mga Cosmid ay ginagamit para sa pag-clone ng mga fragment ng DNA hanggang sa 35-45 thousand base pairs ang haba.
Ang mga vectors, na mga derivatives ng phages na may single-stranded DNA (M13 mp8, M13, mp73, atbp.), ay itinayo batay sa pabilog na molekula ng DNA ng M13 bacteriophage. Para sa pag-embed ng dayuhang DNA, ginagamit ang isang replicative na double-stranded phage DNA molecule. Ang isang vector na nagdadala ng isang dayuhang DIC ay ipinapasok sa mga bacterial cell, kung saan ang mga recombinant na molekula ay dumarami nang hindi nagli-lysing sa cell na ito at "bumaba" sa medium ng kultura bilang isang viral particle na may isang solong-stranded na molekula ng DNA. Ginagamit ang mga vector na ito para i-clone ang mga fragment ng DNA (hanggang 300-400 base pairs).
Ang gene na kinakailangan para sa genetic engineering manipulations ay nakukuha sa pamamagitan ng pag-clone ng naaangkop na recombinant DNA molecules at pagpili ng mga naturang clone. Sa mga kasong iyon kapag ang mga gene ng mas matataas na organismo at tao ay na-clone / expression sa-rykh sa E. coli (pinaka madalas na ginagamit para sa mga naturang layunin) ay imposible, ang pamamaraan ng pag-clone at pagpili ay isinasagawa sa maraming yugto. Sa unang yugto, isang tinatawag na isang library ng mga gene mula sa mga fragment ng DNA (naka-clone nang direkta mula sa cell genome) o mula sa mga naka-clone na kopya ng DNA (cDNA) ng kaukulang messenger RNA. Ang paghahambing ng istraktura ng mga fragment ng genomic DNA at ang kaukulang cDNA, nakakakuha sila ng mahalagang impormasyon tungkol sa organisasyon ng genetic na materyal, at sa kaso ng mga namamana na sakit, tungkol sa likas na katangian ng mga anomalya sa genetic na materyal, ang kinahinatnan nito. sakit. Mula sa library ng gene, gamit ang mga modernong pamamaraan, posibleng kunin ang kinakailangang gene kasama ang mga nakapaligid na rehiyon ng genome. Sa kasalukuyan, ang mga kumpletong aklatan ng mga gene ng maraming microorganism, halaman at hayop (hanggang sa mga mammal at tao) ay nalikha na. Ilang daang mga gene at iba pang mga nucleotide sequence sa DNA ng tao ay na-clone na at sa ilang lawak ay pinag-aralan.
Ang mga posibilidad ng pananaliksik sa genetic engineering ay hindi limitado sa pag-clone ng isang gene at pagkuha ng malaking bilang ng mga kopya nito. Madalas na kinakailangan hindi lamang upang i-clone ang isang gene, kundi pati na rin upang matiyak ang pagpapahayag nito sa isang cell, ibig sabihin, upang ipatupad ang impormasyong nakapaloob dito sa pagkakasunud-sunod ng amino acid ng polypeptide chain ng protina na naka-encode ng gene na ito. Kung ang isang gene na ipinasok sa isang bacterial cell ay nakuha mula sa bakterya ng pareho (o malapit) na species, maaaring sapat na upang ihiwalay ang gene na may mga elemento ng regulasyon na kumokontrol sa pagpapahayag nito. Gayunpaman, sa ilang mga pagbubukod, ang mga regulatory nucleotide sequence ng mga evolutionary na malayong organismo ay hindi mapapalitan. Samakatuwid, upang makamit, halimbawa, ang pagpapahayag ng isang eukaryotic gene sa mga cell ng E. coli, ang rehiyon ng regulasyon ay tinanggal mula dito, at ang istrukturang bahagi ng naturang gene ay nakakabit (sa isang tiyak na distansya) sa rehiyon ng regulasyon. ng bacterial gene. Ang makabuluhang pag-unlad sa pag-unlad ng diskarteng ito ay nakamit pagkatapos ng pagtuklas ng Ba131 nuclease enzyme, na may natatanging pag-aari ng hydrolyzing ng parehong mga kadena ng isang double-stranded linear na molekula ng DNA simula sa dulo ng molekula, ibig sabihin, ang enzyme na ito ay nag-aalis ng "dagdag. ” nucleotide sequence ng anumang haba mula sa dulo ng DNA fragment . Sa kasalukuyan, ang mga istruktura at regulasyong rehiyon ay hiwalay na nakahiwalay gamit ang mga paghihigpit na iyon, ang mga "pagkilala" na mga site na pinakamatagumpay na matatagpuan sa polynucleotide chain, pagkatapos ay ang "dagdag" na mga pagkakasunud-sunod ng nucleotide ay tinanggal at ang istruktura na rehiyon ng eukaryotic gene ay konektado sa ang rehiyon ng regulasyon ng bacterial gene. Sa ganitong paraan, posibleng makamit hindi lamang ang pagpapahayag ng mga eukaryotic genes sa bacterial cells, ngunit, sa kabaligtaran, bacterial genes sa mga cell ng mas mataas at mas mababang eukaryotes.
Ang tagumpay ng genetic engineering ay malapit na nauugnay sa pagbuo at pagpapabuti ng mga pamamaraan para sa pagtukoy ng nucleotide sequence (sequencing) sa mga molekula ng DNA. Ang isang makabuluhang bilang ng mga paghihigpit sa pagtatapon ng mga mananaliksik ay ginagawang posible na ihiwalay ang ilang mga fragment ng DNA na may ganap na pagtitiyak, at ang pagbuo at pagpapabuti ng mga pamamaraan ng pag-clone ay ginagawang posible upang makakuha ng mga fragment ng kahit na natatanging mga gene sa mga dami na kinakailangan para sa pagsusuri. Napatunayang napakaepektibo ng mga pamamaraan ng DNA sequencing na kadalasan, sa pamamagitan ng pagtukoy sa sequence ng DNA nucleotide, nakukuha ang data sa sequence ng nucleotide sa kaukulang mga molekula ng RNA at sa sequence ng mga residue ng amino acid sa synthesized na molekula ng protina. Kapag pinoproseso ang mga resulta ng DNA sequencing, ang mga computer ay malawakang ginagamit. Para sa isang mas kumpleto at mas mabilis na interpretasyon ng nakuhang pang-eksperimentong data, ang pambansa at internasyonal na "mga bangko" ng computer ng mga nucleotide sequence ay nililikha. Sa kasalukuyan, ang kumpletong pagkakasunud-sunod ng nucleotide ng mga genome ng isang bilang ng mga bacterial plasmids at mga virus ay natukoy na, at ang problema sa pagtukoy ng kumpletong mga pagkakasunud-sunod ng nucleotide ng mga unang indibidwal na chromosome, at pagkatapos ay ang buong genome ng mas mataas na mga organismo, kabilang ang mga tao, ay mayroon na. nireresolba.
Sa tulong ng mga pamamaraan ng genetic engineering, natagpuan ang mga paglihis sa istraktura ng ilang mga seksyon ng mga gene ng tao, na siyang sanhi ng mga namamana na sakit. Kadalasan, ang pamamaraang ito ay ang tinatawag na. b maraming pagsusuri. Ang nakahiwalay na cellular DNA ay sumasailalim sa restriction enzyme hydrolysis, ang mga nagresultang fragment ay pinaghihiwalay ng laki gamit ang agarose o polyacrylamide gel electrophoresis. Ang mga pinaghiwalay na fragment ay inililipat ("muling na-print") sa espesyal na ginamot na chromatographic na papel, nitrocellulose o nylon na filter at muling sumasailalim sa electrophoretic separation. Gupitin ang mga lugar ng electropherograms na tumutugma sa mga indibidwal na fraction at naglalaman ng parehong uri ng mga fragment ng DNA; Ang mga gupit na seksyon ng mga electrophoregram ay inilublob sa isang dating na-clone na gene o bahagi nito, o sa isang nakuhang kemikal. synthesis sa pamamagitan ng isang nucleotide sequence na naglalaman ng radioactive label. Ang minarkahang DNA ay nakikipag-ugnayan lamang sa mga fragment ng nasuri na cellular DNA, ang to-rye ay may mga pagkakasunud-sunod ng mga nucleotide na pantulong dito. Ang pagbabago sa distribusyon at dami ng isang nakapirming label kumpara sa pamantayan ay ginagawang posible upang hatulan ang mga pagbabago sa nasuri na gene o mga nucleotide sequence na katabi nito.
Ang mga site ng "pagkilala" ng ilang mga paghihigpit sa molekula ng DNA ay hindi pantay na ipinamamahagi, samakatuwid, sa panahon ng hydrolysis ng mga enzyme na ito, ang molekula ng DNA ay nahahati sa isang bilang ng mga fragment na may iba't ibang haba. Ang muling pagsasaayos ng istraktura ng DNA, bilang isang resulta kung saan nawawala o lumilitaw ang mga umiiral na "pagkilala" na mga site, ay humahantong sa isang pagbabago sa hanay ng mga fragment na ito (ang tinatawag na mga fragment ng paghihigpit), ibig sabihin, sa hitsura ng haba ng fragment ng paghihigpit polymorphism (GVDRF). Ang mga muling pagsasaayos sa molekula ng DNA ay maaaring magdulot o hindi magdulot ng mga pagbabago sa panahon ng synthesis o sa istruktura ng naka-encode na protina; Ang mga muling pagsasaayos na hindi nagdudulot ng mga pagbabago ay ang karamihan, at nagiging sanhi sila ng isang normal na RFLP. Ito ay lumabas na ang RFLP ay isang malinaw na genetic na katangian. Sa kasalukuyan, ang pagsusuri ng RFLP ay naging isa sa mga pinakatumpak na pamamaraang ginagamit sa genetika ng tao at medikal na genetika. Para sa isang bilang ng mga namamana na sakit, ang mga anyo ng RFLP ay inilarawan na direktang nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng isang sakit o ang karwahe ng isang pathologically altered gene.
Ang genetic engineering ay minarkahan ang simula ng isang bagong direksyon ng pananaliksik, na tinatawag na "genetics in reverse." Ang tradisyunal na pagsusuri ng genetic (tingnan) ay isinasagawa sa sumusunod na pagkakasunud-sunod: ang pag-sign ay pinili, ang link ng isang palatandaan na may isang genetic determinant at ang lokalisasyon ng determinant na ito na may kaugnayan sa kilala na ay itinatag. Sa reverse genetics, ang lahat ay nangyayari sa reverse order: ang isang DNA fragment na may hindi kilalang function ay napili, ang linkage ng DNA fragment na ito sa ibang mga rehiyon ng genome at ang koneksyon nito sa ilang mga katangian ay itinatag. Ang diskarte na ito ay naging posible upang bumuo ng mga pamamaraan para sa maagang pagsusuri at pagtuklas ng mga carrier ng mga sakit tulad ng Huntington's chorea, Duchenne's disease, cystic fibrosis, ang biochemical na katangian ng namamana na mga depekto na hindi pa nalalaman. Gamit ang genealogical na paraan para sa pagtatatag ng mga pattern ng namamana na paghahatid ng Huntington's chorea, ipinakita na ang G8 DNA fragment na nakahiwalay sa genome ng tao ay malapit na nauugnay sa gene na tumutukoy sa sakit, at ang hugis ng RFLP G8 fragment sa populasyon na ito. maaaring masuri ang sakit na ito at matukoy ang mga carrier ng mga may sira na gene.
Mayroon pa ring maraming mga teknikal na kahirapan sa paraan ng pagpapakilala ng mga pamamaraan na ginagamit sa genetic engineering sa medikal na kasanayan. Maraming mga laboratoryo sa buong mundo ang aktibong bumubuo ng praktikal na angkop na genetic engineering diagnostic na pamamaraan, at inaasahan na ang mga ganitong pamamaraan ay makakahanap ng aplikasyon sa malapit na hinaharap, kung hindi para sa mass genetic screening (screening) sa panahon ng medikal na pagsusuri ng populasyon, kung gayon, sa hindi bababa sa, para sa isang sample na survey ng mga high-risk na grupo para sa mga namamana na sakit.
Ginagawang posible ng genetic engineering hindi lamang ang pagkopya ng mga natural na compound at proseso, kundi pati na rin ang pagbabago sa mga ito at gawing mas mahusay ang mga ito. Ang isang halimbawa nito ay isang bagong linya ng pananaliksik na tinatawag na protina engineering. Ang mga kalkulasyon na ginawa batay sa data sa pagkakasunud-sunod ng amino acid at ang spatial na organisasyon ng mga molekula ng protina ay nagpapakita na sa ilang mga kapalit ng ilang mga residue ng amino acid sa mga molekula ng isang bilang ng mga enzyme, ang isang makabuluhang pagtaas sa kanilang aktibidad ng enzymatic ay posible. Sa isang nakahiwalay na gene na nag-encode ng synthesis ng isang partikular na enzyme, ang mahigpit na kinokontrol na pagpapalit ng ilang mga nucleotide ay isinasagawa ng mga pamamaraan ng genetic engineering. Sa panahon ng synthesis ng isang enzymatic na protina sa ilalim ng kontrol ng tulad ng isang binagong gene, ang isang paunang binalak na kapalit ng mahigpit na tinukoy na mga residu ng amino acid sa polypeptide chain ay nangyayari, na nagiging sanhi ng pagtaas ng aktibidad ng enzymatic nang maraming beses kumpara sa aktibidad ng isang natural. prototype.
Sa larangan ng agrikultura, ang genetic engineering ay inaasahang magbibigay ng malaking kontribusyon sa pagpili ng mga bagong high-yielding na uri ng halaman na lumalaban sa tagtuyot, sakit, at peste, gayundin sa pagbuo ng mga bagong mataas na produktibong uri ng pananim. hayop.
Tulad ng anumang tagumpay ng agham, ang mga tagumpay ng genetic engineering ay maaaring gamitin hindi lamang para sa kapakinabangan, kundi pati na rin sa kapinsalaan ng sangkatauhan. Ang mga espesyal na isinagawang pag-aaral ay nagpakita na ang panganib ng walang kontrol na pagkalat ng recombinant DNA ay hindi kasing-laki ng naunang naisip. Ang recombinant na DNA at bacteria na nagdadala ng mga ito ay naging napaka-unstable sa mga impluwensya sa kapaligiran, hindi mabubuhay sa mga tao at hayop. Ito ay kilala na sa kalikasan at walang interbensyon ng tao ay may mga kondisyon na nagbibigay ng aktibong pagpapalitan ng genetic na impormasyon, ito ang tinatawag. daloy ng gene. Gayunpaman, ang kalikasan ay lumikha ng maraming epektibong hadlang sa pagtagos ng alien genetic na impormasyon sa katawan. Sa kasalukuyan, malinaw na kapag nagtatrabaho sa karamihan ng mga recombinant na molekula ng DNA, ang karaniwang mga pag-iingat ay sapat na, ang to-rye ay ginagamit, halimbawa, ng mga microbiologist kapag nagtatrabaho sa nakakahawang materyal. Para sa mga espesyal na kaso, ang mga epektibong pamamaraan ay binuo para sa parehong biological na proteksyon at pisikal na paghihiwalay ng mga eksperimentong bagay mula sa mga tao at sa kapaligiran. Samakatuwid, ang napakahigpit na mga unang bersyon ng mga patakaran para sa pagtatrabaho sa recombinant DNA ay binago at makabuluhang pinalambot. Tulad ng para sa sinasadyang paggamit ng mga nagawa ng genetic engineering sa kapinsalaan ng mga tao, ang parehong mga siyentipiko at ang publiko ay dapat aktibong lumaban upang matiyak na ang panganib na ito ay nananatiling posible lamang sa teorya.
Tingnan din ang Biotechnology.
Bibliograpiya: Alikhanyan S. I. Mga tagumpay at prospect ng genetic engineering, Genetics, vol. 12, Jvft 7, p. 150, 1976, bibliogr.; AlikhanyanS. I. et al. Pagkuha ng mga gumaganang recombinant (hybrid) na mga molekula ng DNA, in vitro, ibid., vol. I, No. 11, p. 34, 1975, bibliogr.; Baev A. A. Genetic engineering, Priroda, M1, p. 8, 1976; Tikhomirova L.P. at iba pa. Hybrid DNA molecules ng phage X at plasmids ColEl, Dokl. USSR Academy of Sciences, tomo 223, blg. 4, p. 995, 1975, bibliogr.; Kayumanggi D.D.a. S t e r n R. Mga paraan ng paghihiwalay ng gene, Ann. Sinabi ni Rev. Biochem., v. 43, p. 667, 1974, bibliogr.; C h a n g A. C. Y. a. o. Mga pag-aaral ng mouse mitochondrial DNA sa Escherichia coli, Cell, v. 6, p. 231.1975, bibliogr.; Hedgpeth J., Goodman H. M. a. B o y e r H. W. DNA nucleotide sequence na pinaghihigpitan ng R1 endonuclease, Proc. nat. Acad. sci. (Maghugas.), v. 69, p. 3448, 1972, bibliogr.; Hershfield V.a. o. Plasmid ColEl bilang isang molekular na sasakyan para sa cloning at amplification ng DNA, ibid., v. 71, p. 3455, 1974; Kinabukasan J. F. a. o. Pagtitiklop at transkripsyon ng eukaryotic DNA sa Escherichia coli, ibid., p. 1743; T e m i n H. M. a. Mizu-tani S. RNA-dependent DNA polymerase sa mga virion ng Rous sarcoma virus, Kalikasan (Lond.), v. 226, p. 1211, 1970.
Biotechnology, ed. A. A. Baeva, M., 1984; B tungkol sa h hanggang tungkol sa N. P., Zakharov A. F. at Ivanov V. I. Medical genetics, M., 1984; M a n i a-tis G., FrichE. at Sambrook J. Mga pamamaraan ng genetic engineering. Molecular cloning, trans. mula sa English, M., 1984; A n t o n a r a k i s S. E. a. o. Ang polymorphism ng DNA at molekular na patolohiya ng mga kumpol ng gene ng globin ng tao, Hum. Genet., v. 69, p. 1, 1985; Beaudet A. L. Bibliograpiya ng naka-clone na tao at iba pang mga piling DNA, Amer. J. ugong. Genet., v. 37, p. 386, 1985; Sa o t s t e i n D. a. o. Paggawa ng isang genetic linkage map sa tao gamit ang restriction fragment length polymorphism, ibid., v. 32, p. 314, 1980; G u s e 1 1 a J. E. a. o. Mga marker ng DNA para sa mga sakit sa nervous system, Science, v. 225, p. 1320, 1984; Motulsky A. G. Epekto ng genetic manipulation sa lipunan at medisina, ibid., v. 219, p. 135, 1983; Puting R. a. o. Isang malapit na nauugnay na genetic marker para sa cystic fibrosis, Kalikasan (Lond.), v. 318, p. 382, 1985; Wo o S. L. C., L i d s to y A. S. a. Guttler F. Prenatal diagnosis ng classical phenylketonuria sa pamamagitan ng gene mapping, J. Amer. med. Ass., v. 251, p. 1998, 1984.
L. S. Chernin, V. H. Kalinin.
Kahalagahang pang-ekonomiya
Ang genetic engineering ay nagsisilbi upang makuha ang ninanais na mga katangian ng isang binago o genetically modified na organismo. Hindi tulad ng tradisyonal na pag-aanak, kung saan ang genotype ay hindi direktang binago, pinapayagan ka ng genetic engineering na direktang makagambala sa genetic apparatus, gamit ang pamamaraan ng molecular cloning. Ang mga halimbawa ng mga aplikasyon ng genetic engineering ay ang produksyon ng mga bagong genetically modified varieties ng mga pananim, ang produksyon ng insulin ng tao gamit ang genetically modified bacteria, ang produksyon ng erythropoietin sa cell culture, o mga bagong lahi ng experimental mice para sa siyentipikong pananaliksik.
Ang batayan ng microbiological, biosynthetic na industriya ay ang bacterial cell. Ang mga cell na kinakailangan para sa pang-industriyang produksyon ay pinili ayon sa ilang mga pamantayan, ang pinakamahalaga sa kung saan ay ang kakayahang gumawa, mag-synthesize, sa maximum na posibleng dami, isang tiyak na tambalan - isang amino acid o isang antibyotiko, isang steroid hormone o isang organic acid. . Minsan kinakailangan na magkaroon ng isang microorganism na maaaring, halimbawa, gumamit ng langis o wastewater bilang "pagkain" at iproseso ang mga ito sa biomass o kahit na protina na medyo angkop para sa mga additives ng feed. Minsan kailangan ang mga organismo na maaaring lumaki sa mataas na temperatura o sa pagkakaroon ng mga sangkap na walang alinlangan na nakamamatay sa iba pang mga uri ng microorganism.
Ang gawain ng pagkuha ng naturang mga pang-industriyang strain ay napakahalaga, para sa kanilang pagbabago at pagpili, maraming mga pamamaraan ng aktibong impluwensya sa cell ang binuo - mula sa paggamot na may makapangyarihang mga lason hanggang sa radioactive irradiation. Ang layunin ng mga pamamaraan na ito ay pareho - upang makamit ang isang pagbabago sa namamana, genetic apparatus ng cell. Ang kanilang resulta ay ang paggawa ng maraming mutant microbes, mula sa daan-daan at libu-libo kung saan sinubukan ng mga siyentipiko na piliin ang pinaka-angkop para sa isang partikular na layunin. Ang paglikha ng mga pamamaraan para sa kemikal o radiation mutagenesis ay isang natatanging tagumpay sa biology at malawakang ginagamit sa modernong bioteknolohiya.
Ngunit ang kanilang mga kakayahan ay limitado sa pamamagitan ng likas na katangian ng mga mikroorganismo mismo. Hindi nila nagagawang mag-synthesize ng ilang mahahalagang sangkap na naipon sa mga halaman, pangunahin ang panggamot at mahahalagang langis. Hindi nila ma-synthesize ang mga substance na napakahalaga para sa buhay ng mga hayop at tao, isang bilang ng mga enzyme, peptide hormones, immune proteins, interferon, at marami pang mga simpleng nakaayos na compound na na-synthesize sa mga hayop at tao. Siyempre, ang mga posibilidad ng mga microorganism ay malayo sa pagkaubos. Sa kasaganaan ng mga microorganism, isang maliit na bahagi lamang ang ginamit ng agham, at lalo na ng industriya. Para sa mga layunin ng pagpili ng microorganism, ang malaking interes ay, halimbawa, anaerobic bacteria na maaaring mabuhay sa kawalan ng oxygen, mga phototroph na gumagamit ng liwanag na enerhiya tulad ng mga halaman, chemoautotrophs, thermophilic bacteria na maaaring mabuhay sa isang temperatura, tulad ng natuklasan kamakailan. , tungkol sa 110 ° C, atbp.
At gayon pa man ang mga limitasyon ng "natural na materyal" ay halata. Sinubukan at sinusubukan nilang iwasan ang mga paghihigpit sa tulong ng mga kultura ng cell at mga tisyu ng mga halaman at hayop. Ito ay isang napakahalaga at promising na paraan, na ipinapatupad din sa bioteknolohiya. Sa nakalipas na ilang dekada, nakabuo ang mga siyentipiko ng mga pamamaraan kung saan ang mga solong selula ng halaman o tissue ng hayop ay maaaring gawin upang lumaki at dumami nang hiwalay sa katawan, tulad ng mga bacterial cell. Ito ay isang mahalagang tagumpay - ang mga resultang kultura ng cell ay ginagamit para sa mga eksperimento at para sa pang-industriya na produksyon ng ilang mga sangkap na hindi maaaring makuha gamit ang mga bacterial culture.
Kasaysayan ng pag-unlad at nakamit na antas ng teknolohiya
Sa ikalawang kalahati ng ika-20 siglo, maraming mahahalagang pagtuklas at imbensyon ang ginawa na pinagbabatayan genetic engineering. Maraming taon ng mga pagtatangka na "basahin" ang biological na impormasyon na "naitala" sa mga gene ay matagumpay na nakumpleto. Ang gawaing ito ay sinimulan ng English scientist na si F. Sanger at ng American scientist na si W. Gilbert (Nobel Prize in Chemistry). Tulad ng alam mo, ang mga gene ay naglalaman ng impormasyon-pagtuturo para sa synthesis ng mga molekula at protina ng RNA sa katawan, kabilang ang mga enzyme. Upang pilitin ang isang cell na mag-synthesize ng bago, hindi pangkaraniwang mga sangkap para dito, kinakailangan na ang mga kaukulang hanay ng mga enzyme ay ma-synthesize dito. At para dito kinakailangan ang alinman sa sadyang baguhin ang mga gene sa loob nito, o upang ipakilala ang bago, dati nang walang mga gene dito. Ang mga pagbabago sa mga gene sa mga buhay na selula ay mga mutasyon. Nangyayari ang mga ito sa ilalim ng impluwensya ng, halimbawa, mutagens - mga kemikal na lason o radiation. Ngunit ang mga naturang pagbabago ay hindi makokontrol o maidirekta. Samakatuwid, itinuon ng mga siyentipiko ang kanilang mga pagsisikap sa pagsisikap na bumuo ng mga pamamaraan para sa pagpasok sa cell ng mga bagong, napaka tiyak na mga gene na kailangan ng isang tao.
Ang mga pangunahing yugto ng paglutas ng problema sa genetic engineering ay ang mga sumusunod:
1. Pagkuha ng nakahiwalay na gene. 2. Pagpapakilala ng isang gene sa isang vector para ilipat sa isang organismo. 3. Paglipat ng isang vector na may gene sa isang binagong organismo. 4. Pagbabago ng mga selula ng katawan. 5. Pagpili ng mga genetically modified organism ( GMO) at inaalis ang mga hindi matagumpay na nabago.
Ang proseso ng gene synthesis ay kasalukuyang napakahusay na binuo at higit sa lahat ay awtomatiko. Mayroong mga espesyal na aparato na nilagyan ng mga computer, sa memorya kung saan nakaimbak ang mga programa para sa synthesis ng iba't ibang mga pagkakasunud-sunod ng nucleotide. Ang nasabing apparatus ay nag-synthesize ng mga segment ng DNA hanggang sa 100-120 nitrogenous base ang haba (oligonucleotides). Ang isang pamamaraan ay naging laganap na nagpapahintulot sa paggamit ng polymerase chain reaction para sa synthesis ng DNA, kabilang ang mutant DNA. Ang isang thermostable enzyme, ang DNA polymerase, ay ginagamit dito para sa template ng DNA synthesis, na ginagamit bilang isang buto para sa artipisyal na synthesize na mga piraso ng nucleic acid - oligonucleotides. Ginagawang posible ng reverse transcriptase enzyme, gamit ang mga naturang primer (primer), na i-synthesize ang DNA sa isang matrix ng RNA na nakahiwalay sa mga cell. Ang DNA na na-synthesize sa ganitong paraan ay tinatawag na complementary (RNA) o cDNA. Ang isang nakahiwalay, "chemically pure" na gene ay maaari ding makuha mula sa isang phage library. Ito ang pangalan ng paghahanda ng bacteriophage, kung saan ang mga genome na random na fragment mula sa genome o cDNA ay ipinasok, na ginawa ng phage kasama ang lahat ng DNA nito.
Ang pamamaraan ng pagpapakilala ng mga gene sa bakterya ay binuo pagkatapos matuklasan ni Frederick Griffith ang kababalaghan ng pagbabagong-anyo ng bakterya. Ang kababalaghan na ito ay batay sa isang primitive na proseso ng sekswal, na sa bakterya ay sinamahan ng pagpapalitan ng maliliit na fragment ng non-chromosomal DNA, plasmids. Ang mga teknolohiyang plasmid ay naging batayan para sa pagpapakilala ng mga artipisyal na gene sa mga selulang bacterial.
Ang mga makabuluhang paghihirap ay nauugnay sa pagpapakilala ng isang yari na gene sa namamana na kagamitan ng mga selula ng halaman at hayop. Gayunpaman, sa likas na katangian, may mga kaso kapag ang dayuhang DNA (ng isang virus o isang bacteriophage) ay kasama sa genetic apparatus ng isang cell at, sa tulong ng mga metabolic na mekanismo nito, ay nagsisimulang mag-synthesize ng "sariling" protina. Pinag-aralan ng mga siyentipiko ang mga tampok ng pagpapakilala ng dayuhang DNA at ginamit ito bilang isang prinsipyo para sa pagpapasok ng genetic na materyal sa isang cell. Ang prosesong ito ay tinatawag na paglipat.
Kung binago ang mga unicellular na organismo o kultura ng mga multicellular cell, magsisimula ang pag-clone sa yugtong ito, iyon ay, ang pagpili ng mga organismo at ang kanilang mga inapo (clone) na sumailalim sa pagbabago. Kapag ang gawain ay nakatakda upang makakuha ng mga multicellular na organismo, ang mga cell na may binagong genotype ay ginagamit para sa vegetative propagation ng mga halaman o iniksyon sa mga blastocyst ng isang surrogate mother pagdating sa mga hayop. Bilang resulta, ang mga cubs ay ipinanganak na may nabago o hindi nabagong genotype, kung saan tanging ang mga nagpapakita ng inaasahang pagbabago ang pinipili at itinawid sa kanilang mga sarili.
Aplikasyon sa siyentipikong pananaliksik
Kahit na sa maliit na sukat, ginagamit na ang genetic engineering para bigyan ng pagkakataon ang mga babaeng may ilang uri ng kawalan ng katabaan na mabuntis. Upang gawin ito, gamitin ang mga itlog ng isang malusog na babae. Ang bata bilang resulta ay namamana ng genotype mula sa isang ama at dalawang ina.
Gayunpaman, ang posibilidad ng pagpapakilala ng mas makabuluhang mga pagbabago sa genome ng tao ay nahaharap sa isang bilang ng mga seryosong problema sa etika.
11 Hulyo 2008Genetic engineering(genetic engineering) - isang hanay ng mga pamamaraan at teknolohiya, kabilang ang mga teknolohiya para sa pagkuha ng mga recombinant ribonucleic at deoxyribonucleic acid, para sa paghihiwalay ng mga gene mula sa isang organismo, para sa pagmamanipula ng mga gene at pagpasok sa kanila sa ibang mga organismo.
Ang genetic engineering ay isang mahalagang bahagi ng modernong biotechnology, ang teoretikal na batayan nito ay molecular biology, genetics. Ang kakanyahan ng bagong teknolohiya ay nakasalalay sa nakadirekta, ayon sa isang paunang natukoy na programa, ang pagtatayo ng mga molecular genetic system sa labas ng katawan (in vitro) kasama ang kasunod na pagpapakilala ng mga nilikhang istruktura sa isang buhay na organismo. Bilang isang resulta, ang kanilang pagsasama at aktibidad sa organismo na ito at sa mga supling nito ay nakamit. Ang mga posibilidad ng genetic engineering - genetic transformation, ang paglipat ng mga dayuhang gene at iba pang materyal na carrier ng heredity sa mga selula ng mga halaman, hayop at microorganism, ang produksyon ng genetically engineered (genetically modified, transgenic) na mga organismo na may bagong natatanging genetic, biochemical at physiological mga katangian at katangian, gawin itong madiskarteng direksyon.
Mula sa punto ng view ng pamamaraan, pinagsasama ng genetic engineering ang mga pangunahing prinsipyo (genetics, cell theory, molecular biology, systems biology), ang mga nakamit ng pinakamodernong postgenomic sciences: genomics, metabolomics, proteomics na may tunay na tagumpay sa mga inilapat na lugar: biomedicine, agrobiotechnology , bioenergetics, biopharmacology, bioindustriya, atbp.
Ang genetic engineering ay kabilang (kasama ang biotechnology, genetics, molecular biology, at ilang iba pang agham ng buhay) sa larangan ng natural na agham.
Sanggunian sa kasaysayan
Lumitaw ang genetic engineering salamat sa gawain ng maraming mananaliksik sa iba't ibang sangay ng biochemistry at molecular genetics. Noong 1953, si J. Watson at F. Crick ay lumikha ng isang double-stranded na modelo ng DNA, sa pagliko ng 50s - 60s ng ika-20 siglo, ang mga katangian ng genetic code ay napaliwanagan, at sa pagtatapos ng 60s, ang pagiging pangkalahatan nito ay nakumpirma sa eksperimento. Nagkaroon ng masinsinang pag-unlad ng molecular genetics, ang mga bagay na kung saan ay E. coli, ang mga virus at plasmids nito. Ang mga pamamaraan ay binuo upang ihiwalay ang lubos na pinadalisay na paghahanda ng mga buo na molekula ng DNA, plasmids, at mga virus. Ang DNA ng mga virus at plasmids ay ipinakilala sa mga cell sa isang biologically active form, na tinitiyak ang pagtitiklop nito at pagpapahayag ng kaukulang mga gene. Noong 1970, si G. Smith ang unang nagbukod ng ilang enzyme - mga paghihigpit na angkop para sa mga layunin ng genetic engineering. Nalaman ni G. Smith na ang purified HindII enzyme na nakuha mula sa bacteria ay nagpapanatili ng kakayahang i-cut ang nucleic acid molecules (nuclease activity), na katangian ng buhay na bacteria. Ang kumbinasyon ng mga paghihigpit ng DNA (para sa pagputol ng mga molekula ng DNA sa ilang partikular na fragment) at mga enzyme na nakahiwalay noong 1967 - DNA ligases (para sa mga "crosslinking" na mga fragment sa isang arbitrary na pagkakasunud-sunod) ay nararapat na ituring na sentral na link sa teknolohiya ng genetic engineering.
Kaya, sa simula ng 1970s, ang mga pangunahing prinsipyo ng paggana ng mga nucleic acid at protina sa isang buhay na organismo ay nabuo at ang mga teoretikal na kinakailangan para sa genetic engineering ay nilikha.
Academician A.A. Si Baev ang unang siyentipiko sa ating bansa na naniniwala sa pangako ng genetic engineering at nanguna sa pananaliksik sa lugar na ito. Ang genetic engineering (sa kahulugan nito) ay ang in vitro construction ng functionally active genetic structures (recombinant DNA), o sa madaling salita, ang paglikha ng mga artipisyal na genetic program.
Mga gawain at pamamaraan ng genetic engineering
Kilalang-kilala na ang tradisyunal na pag-aanak ay may ilang mga limitasyon na pumipigil sa paggawa ng mga bagong lahi ng mga hayop, uri ng halaman o lahi ng halos mahalagang mga mikroorganismo:
1. kakulangan ng recombination sa mga hindi nauugnay na species. May mga mahigpit na hadlang sa pagitan ng mga species na nagpapahirap sa natural na recombination.
2. ang kawalan ng kakayahang kontrolin ang proseso ng recombination sa katawan mula sa labas. Ang kakulangan ng homology sa pagitan ng mga chromosome ay humahantong sa kawalan ng kakayahang lumapit at makipagpalitan ng mga indibidwal na seksyon (at mga gene) sa proseso ng pagbuo ng mga selula ng mikrobyo. Bilang resulta, nagiging imposible na ilipat ang mga kinakailangang gene at matiyak ang pinakamainam na kumbinasyon sa bagong organismo ng mga gene na nakuha mula sa iba't ibang anyo ng magulang;
3. ang imposibilidad ng tumpak na pagtukoy sa mga katangian at katangian ng supling, dahil ang proseso ng recombination ay istatistika.
Ang mga natural na mekanismo na nagbabantay sa kadalisayan at katatagan ng genome ng isang organismo ay halos imposibleng madaig ng mga klasikal na pamamaraan ng pagpili.
Ang teknolohiya para sa pagkuha ng genetically modified organisms (GMOs) ay pangunahing nilulutas ang mga isyu ng pagtagumpayan sa lahat ng natural at interspecies na recombination at reproductive barrier. Hindi tulad ng tradisyonal na pag-aanak, kung saan ang genotype ay hindi direktang binago, pinapayagan ka ng genetic engineering na direktang makagambala sa genetic apparatus, gamit ang pamamaraan ng molecular cloning. Ginagawang posible ng genetic engineering na gumana sa anumang mga gene, kahit na artipisyal na na-synthesize o kabilang sa mga hindi nauugnay na organismo, ilipat ang mga ito mula sa isang species patungo sa isa pa, at pagsamahin ang mga ito sa isang arbitrary na pagkakasunud-sunod.
Kasama sa teknolohiya ang ilang yugto ng paglikha ng GMO:
1. Pagkuha ng nakahiwalay na gene.
2. Pagpapakilala ng isang gene sa isang vector para sa pagsasama sa isang organismo.
3. Paglipat ng isang vector na may construct sa isang binagong recipient organism.
4. Molecular cloning.
5. Pagpili ng mga GMO.
Ang unang yugto - synthesis, paghihiwalay at pagkakakilanlan ng mga target na DNA o RNA fragment at mga elemento ng regulasyon ay napakahusay na binuo at awtomatiko. Ang isang nakahiwalay na gene ay maaari ding makuha mula sa isang phage library.
Ang pangalawang yugto ay ang paglikha ng in vitro (in vitro) ng isang genetic construct (transgene), na naglalaman ng isa o higit pang mga fragment ng DNA (pag-encode ng pagkakasunud-sunod ng amino acid ng mga protina) kasama ng mga elemento ng regulasyon (ang huli ay tinitiyak ang aktibidad ng mga transgenes sa ang katawan). Susunod, ang mga transgenes ay ipinasok sa vector DNA para sa pag-clone gamit ang mga tool sa genetic engineering - restriction enzymes at ligases. Para sa pagtuklas ng restrictases Werner Arber, Daniel Nathans at Hamilton Smith ay ginawaran ng Nobel Prize (1978). Bilang isang patakaran, ang mga plasmid ay ginagamit bilang isang vector - maliit na pabilog na mga molekula ng DNA ng pinagmulan ng bakterya.
Ang susunod na yugto ay talagang "genetic modification" (pagbabagong-anyo), i.e. paglilipat ng "vector-embedded DNA" construct sa mga indibidwal na buhay na selula. Ang pagpapakilala ng isang handa na gene sa namamana na kagamitan ng mga selula ng halaman at hayop ay isang kumplikadong gawain, na nalutas pagkatapos pag-aralan ang mga tampok ng pagpapakilala ng dayuhang DNA (virus o bakterya) sa genetic apparatus ng cell. Ang proseso ng paglipat ay ginamit bilang isang prinsipyo para sa pagpapasok ng genetic material sa isang cell.
Kung matagumpay ang pagbabagong-anyo, pagkatapos ay pagkatapos ng mahusay na pagtitiklop, lumilitaw ang isang bilang ng mga anak na selula mula sa isang binagong selula, na naglalaman ng isang artipisyal na nilikhang genetic construct. Ang batayan para sa paglitaw ng isang bagong katangian sa isang organismo ay ang biosynthesis ng mga protina na bago sa organismo - mga produktong transgene, halimbawa, mga halaman - paglaban sa tagtuyot o mga peste ng insekto sa mga halaman ng GM.
Para sa mga unicellular na organismo, ang proseso ng genetic modification ay limitado sa pagpasok ng isang recombinant plasmid, na sinusundan ng pagpili ng binagong mga inapo (clone). Para sa mas mataas na multicellular na organismo, halimbawa, mga halaman, ipinag-uutos na isama ang konstruksyon sa DNA ng mga chromosome o cell organelles (chloroplasts, mitochondria) na may kasunod na pagbabagong-buhay ng buong halaman mula sa isang hiwalay na nakahiwalay na cell sa nutrient media. Sa kaso ng mga hayop, ang mga cell na binago ng genotype ay ipinapasok sa mga blastocides ng kahaliling ina. Ang unang mga halaman ng GM ay nakuha noong 1982 ng mga siyentipiko mula sa Institute of Plant Science sa Cologne at Monsanto.
Pangunahing direksyon
Ang post-genomic na panahon sa unang dekada ng ika-21 siglo ay nagtaas ng pag-unlad ng genetic engineering sa isang bagong antas. Ang tinatawag na Cologne Protocol "Towards a Knowledge-Based Bioeconomy" ay tinukoy ang bioeconomy bilang "pagbabago ng kaalaman sa mga agham ng buhay sa mga bago, napapanatiling, mahusay sa kapaligiran at mapagkumpitensyang mga produkto". Ang roadmap para sa genetic engineering ay naglalaman ng ilang bahagi: gene therapy, bioindustriya, mga teknolohiyang batay sa mga stem cell ng hayop, GM na halaman, GM na hayop, atbp.
genetically modified na mga halaman
Ang dayuhang DNA ay maaaring maipasok sa mga halaman sa iba't ibang paraan.
Para sa mga dicotyledonous na halaman, mayroong natural na vector para sa horizontal gene transfer: Agrobacterium plasmids. Tulad ng para sa mga monocot, bagaman sa mga nakaraang taon ay nakamit ang ilang tagumpay sa kanilang pagbabagong-anyo sa mga agrobacterial vectors, gayunpaman, ang gayong landas ng pagbabagong-anyo ay nakatagpo ng mga makabuluhang paghihirap.
Para sa pagbabagong-anyo ng mga halaman na lumalaban sa agrobacteria, ang mga pamamaraan ay binuo para sa direktang pisikal na paglipat ng DNA sa cell, kabilang dito ang: pambobomba gamit ang microparticle o ang ballistic na paraan; electroporation; pagproseso na may polyethylene glycol; paglipat ng DNA sa loob ng mga liposome, atbp.
Matapos isagawa ang pagbabagong-anyo ng tissue ng halaman sa isang paraan o iba pa, inilalagay ito sa vitro sa isang espesyal na daluyan na may mga phytohormones, na nagtataguyod ng pagpaparami ng cell. Ang daluyan ay karaniwang naglalaman ng isang pumipili na ahente laban sa kung saan ang mga transgenic ngunit hindi control cell ay nagiging lumalaban. Ang pagbabagong-buhay ay madalas na dumadaan sa yugto ng callus, pagkatapos nito, na may tamang pagpili ng media, nagsisimula ang organogenesis (pagbuo ng shoot). Ang nabuong mga shoots ay inililipat sa isang rooting medium, kadalasang naglalaman din ng isang pumipili na ahente para sa mas mahigpit na pagpili ng mga transgenic na indibidwal.
Ang mga unang transgenic na halaman (mga halaman ng tabako na may nakapasok na mga gene mula sa mga microorganism) ay nakuha noong 1983. Ang unang matagumpay na mga pagsubok sa field ng mga transgenic na halaman (mga halaman ng tabako na lumalaban sa impeksyon sa virus) ay isinagawa sa USA noong 1986 na.
Matapos maipasa ang lahat ng kinakailangang pagsusuri para sa toxicity, allergenicity, mutagenicity, atbp. Ang mga unang transgenic na produkto ay na-komersyal sa US noong 1994. Ito ang mga kamatis na naantala ng pagkahinog ng Calgen na Flavr Savr at ang mga soybean na lumalaban sa herbicide ng Monsanto. Sa loob ng 1-2 taon, ang mga biotech na kumpanya ay naglalagay sa merkado ng ilang genetically modified na mga halaman: mga kamatis, mais, patatas, tabako, soybeans, rapeseed, marrows, labanos, cotton.
Sa Russian Federation, ang posibilidad na makakuha ng mga transgenic na patatas sa pamamagitan ng pagbabagong-anyo ng bakterya gamit ang Agrobacterium tumefaciens ay ipinakita noong 1990.
Sa kasalukuyan, daan-daang mga komersyal na kumpanya sa buong mundo na may pinagsamang kapital na higit sa $100 bilyon ang nakikibahagi sa pagkuha at pagsubok ng mga genetically modified na halaman. Ang genetically engineered na biotechnology ng halaman ay naging isang mahalagang industriya para sa produksyon ng pagkain at iba pang kapaki-pakinabang na produkto, na umaakit ng mga makabuluhang mapagkukunan ng tao at mga daloy ng pananalapi.
Sa Russia, sa ilalim ng pamumuno ng Academician K.G. Skryabin (Center "Bioengineering" RAS) nakuha at nailalarawan ang GM potato varieties na Elizaveta plus at Lugovskoy plus, lumalaban sa Colorado potato beetle. Ayon sa mga resulta ng tseke ng Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare sa batayan ng isang ekspertong opinyon ng State Research Institute of Nutrition ng Russian Academy of Medical Sciences, ang mga varieties na ito ay pumasa sa pagpaparehistro ng estado, ay kasama sa rehistro ng estado at pinapayagan para sa pag-import, paggawa at sirkulasyon sa teritoryo ng Russian Federation.
Ang mga varieties ng GM na patatas na ito ay sa panimula ay naiiba mula sa karaniwan sa pamamagitan ng pagkakaroon sa genome nito ng isang pinagsamang gene na tumutukoy sa 100% na proteksyon ng pananim mula sa Colorado potato beetle nang walang paggamit ng anumang mga kemikal.
Ang unang alon ng mga transgenic na halaman na naaprubahan para sa praktikal na paggamit ay naglalaman ng mga karagdagang gene para sa paglaban (sa mga sakit, herbicide, peste, pagkasira sa panahon ng pag-iimbak, at stress).
Ang kasalukuyang yugto sa pagbuo ng genetic engineering ng halaman ay tinatawag na "metabolic engineering". Kasabay nito, ang gawain ay hindi upang mapabuti ang ilang mga umiiral na katangian ng halaman, tulad ng sa tradisyonal na pag-aanak, ngunit upang turuan ang halaman na gumawa ng ganap na bagong mga compound na ginagamit sa gamot, paggawa ng kemikal at iba pang larangan. Ang mga compound na ito ay maaaring, halimbawa, mga espesyal na fatty acid, mga kapaki-pakinabang na protina na may mataas na nilalaman ng mahahalagang amino acid, binagong polysaccharides, nakakain na mga bakuna, antibodies, interferon at iba pang mga protina ng "droga", mga bagong polimer sa kapaligiran, at marami pa. Ang paggamit ng mga transgenic na halaman ay ginagawang posible na magtatag ng malakihan at murang produksyon ng mga naturang sangkap at sa gayon ay ginagawa itong mas madaling ma-access para sa malawak na pagkonsumo.
genetically modified na mga hayop
Malaki ang pagkakaiba ng mga selula ng hayop sa mga selulang bacterial sa kanilang kakayahang sumipsip ng dayuhang DNA, kaya ang mga pamamaraan at pamamaraan para sa pagpasok ng mga gene sa mga embryonic na selula ng mga mammal, langaw, at isda ay nananatiling pinagtutuunan ng pansin ng mga genetic engineer.
Ang pinaka genetically-aral na mammal ay ang mouse. Ang unang tagumpay ay nagsimula noong 1980, nang ipinakita ni D. Gordon at ng mga katrabaho ang posibilidad na ipakilala at isama ang dayuhang DNA sa genome ng mouse. Ang pagsasama ay matatag at nanatili sa mga supling. Ang pagbabago ay ginawa sa pamamagitan ng microinjection ng mga cloned genes sa isa o parehong pronuclei (nucleus) ng isang sariwang embryo sa yugto ng isang cell (zygote). Mas madalas, ang male pronucleus na ipinakilala ng spermatozoon ay pinili, dahil ang laki nito ay mas malaki. Pagkatapos ng iniksyon, ang itlog ay agad na itinanim sa oviduct ng adoptive na ina, o pinapayagang umunlad sa kultura hanggang sa yugto ng blastocyst, pagkatapos nito ay itinanim sa matris.
Ang mga human interferon at mga gene ng insulin, rabbit β-globin gene, herpes simplex virus thymidine kinase gene, at mouse leukemia virus cDNA ay na-injected. Ang bilang ng mga molekula na ibinibigay sa bawat iniksyon ay mula 100 hanggang 300,000, at ang kanilang laki ay mula 5 hanggang 50 kb. Karaniwang 10 - 30% ng mga itlog ang nabubuhay, at ang proporsyon ng mga daga na ipinanganak mula sa mga nabagong itlog ay nag-iiba mula sa iilan hanggang 40%. Kaya, ang tunay na kahusayan ay tungkol sa 10%.
Ang genetically engineered na mga daga, kuneho, tupa, baboy, kambing, guya at iba pang mammal ay nakuha sa pamamaraang ito. Sa ating bansa, nakuha ang mga baboy na nagdadala ng somatotropin gene. Hindi sila naiiba sa mga rate ng paglago mula sa mga normal na hayop, ngunit ang pagbabago sa metabolismo ay nakakaapekto sa taba ng nilalaman. Sa gayong mga hayop, ang mga proseso ng lipogenesis ay inhibited at ang synthesis ng protina ay isinaaktibo. Ang pagsasama ng insulin-like factor genes ay humantong din sa isang pagbabago sa metabolismo. Ang mga GM na baboy ay nilikha upang pag-aralan ang chain ng biochemical transformations ng hormone, at isang side effect ay ang pagpapalakas ng immune system.
Ang pinakamalakas na sistema ng synthesizing ng protina ay matatagpuan sa mga selula ng mammary gland. Kung ilalagay mo ang mga gene ng mga dayuhang protina sa ilalim ng kontrol ng tagataguyod ng casein, kung gayon ang pagpapahayag ng mga gene na ito ay magiging malakas at matatag, at ang protina ay maipon sa gatas. Sa tulong ng mga bioreactor ng hayop (transgenic cows), nakuha na ang gatas, na naglalaman ng human protein lactoferrin. Ang protina na ito ay binalak na gamitin para sa pag-iwas sa mga gastroenterological na sakit sa mga taong may mababang immunoresistance: mga pasyente ng AIDS, mga sanggol na wala pa sa panahon, mga pasyente ng kanser na sumailalim sa radiotherapy.
Ang isang mahalagang direksyon ng transgenesis ay ang paggawa ng mga hayop na lumalaban sa sakit. Ang interferon gene, na isang proteksiyon na protina, ay ipinasok sa iba't ibang mga hayop. Ang mga transgenic na daga ay nakatanggap ng pagtutol - hindi sila nagkasakit o nagkasakit ng kaunti, ngunit walang ganoong epekto ang natagpuan sa mga baboy.
Aplikasyon sa siyentipikong pananaliksik
Ang gene knockout ay ang pamamaraan ng pag-alis ng isa o higit pang mga gene, na nagpapahintulot sa pag-aaral ng mga function ng gene. Upang makakuha ng knockout na mga daga, ang nagreresultang genetically engineered construct ay ipinapasok sa embryonic stem cell, kung saan ang construct ay sumasailalim sa somatic recombination at pinapalitan ang normal na gene, at ang mga binagong cell ay itinatanim sa blastocyst ng surrogate mother. Ang mga halaman at mikroorganismo ay tinatanggal sa katulad na paraan.
Ang artipisyal na pagpapahayag ay ang pagdaragdag ng isang gene sa isang organismo na hindi nito dati, na may layunin din na pag-aralan ang paggana ng mga gene. Gene product imaging – ginagamit upang pag-aralan ang lokasyon ng isang gene product. Ang pagpapalit ng isang normal na gene na may isang engineered gene na pinagsama sa isang reporter element (hal., ang green fluorescent protein gene) ay nagbibigay ng visualization ng produkto ng gene modification.
Pag-aaral ng mekanismo ng pagpapahayag. Ang isang maliit na piraso ng DNA na matatagpuan sa harap ng rehiyon ng coding (promoter) at nagsisilbing magbigkis ng mga salik ng transkripsyon ay ipinapasok sa katawan, pagkatapos nito ang isang reporter gene, halimbawa, GFP, na nagpapabilis ng isang madaling matukoy na reaksyon, ay inilalagay pagkatapos nito sa halip na sarili nitong gene. Bilang karagdagan sa katotohanan na ang paggana ng promoter sa iba't ibang mga tisyu sa isang pagkakataon o iba pa ay nagiging malinaw na nakikita, ang mga naturang eksperimento ay ginagawang posible na pag-aralan ang istraktura ng promoter sa pamamagitan ng pag-alis o pagdaragdag ng mga fragment ng DNA dito, pati na rin ang artipisyal na pagpapahusay. pagpapahayag ng gene.
Biosafety ng mga aktibidad sa genetic engineering
Noong 1975, itinaas ng mga siyentipiko sa buong mundo sa Asilomar Conference ang mahalagang tanong: ang pagdating ba ng mga GMO ay may potensyal na negatibong epekto sa biodiversity? Mula sa sandaling iyon, kasama ang mabilis na pag-unlad ng genetic engineering, nagsimula ang isang bagong direksyon - biosafety. Ang pangunahing gawain nito ay upang masuri kung ang paggamit ng mga GMO ay may hindi kanais-nais na epekto sa kapaligiran, kalusugan ng tao at hayop, at ang pangunahing layunin nito ay upang buksan ang daan sa paggamit ng mga nakamit ng modernong biotechnology, habang ginagarantiyahan ang kaligtasan.
Ang diskarte sa biosafety ay batay sa siyentipikong pananaliksik sa mga katangian ng mga GMO, karanasan sa kanila, pati na rin ang impormasyon tungkol sa kanilang nilalayon na paggamit at ang kapaligiran kung saan sila ipapakita. Ang pinagsamang pangmatagalang pagsisikap ng mga internasyonal na organisasyon (UNEP, WHO, OECD), mga eksperto mula sa iba't ibang bansa, kabilang ang Russia, ay nakabuo ng mga pangunahing konsepto at pamamaraan: biological na kaligtasan, biological hazard, panganib, pagtatasa ng panganib. Pagkatapos lamang na matagumpay na maisagawa ang buong cycle ng mga pagsusuri, isang siyentipikong konklusyon ang inihanda sa biosafety ng mga GMO. Noong 2005, ang WHO ay naglathala ng isang ulat na nagpapakita na ang mga GM food-registered na mga halaman ay ligtas na kainin gaya ng kanilang tradisyonal na mga katapat.
Paano sinisiguro ang biosafety sa Russia? Ang pagpapatibay ng "Convention on Biodiversity" noong 1995 ay maaaring ituring na simula ng pagsasama ng Russia sa pandaigdigang biosafety system. Mula sa sandaling iyon, nagsimula ang pagbuo ng isang pambansang biosafety system, ang panimulang punto kung saan ay ang pagpasok sa puwersa ng Pederal na Batas ng Russian Federation "Sa Regulasyon ng Estado sa Larangan ng Mga Aktibidad sa Genetic Engineering" (1996). Itinatag ng Pederal na Batas ang mga pangunahing konsepto at prinsipyo ng regulasyon at kontrol ng estado sa lahat ng uri ng trabaho sa mga GMO. Ang Pederal na Batas ay nagtatatag ng mga antas ng panganib depende sa uri ng GMO at ang uri ng trabaho, nagbibigay ng mga kahulugan ng sarado at bukas na mga sistema, pagpapalabas ng mga GMO, atbp.
Sa nakalipas na mga taon, ang isa sa mga pinaka mahigpit na sistema ng regulasyon ay nabuo sa Russia. Pambihira na ang sistema ng regulasyon ng estado ng mga GMO ay nagsimula nang preventively, noong 1996, bago ang mga tunay na genetically engineered na organismo ay idineklara para sa komersyalisasyon sa Russia (ang unang GMO - GM soybeans - ay nakarehistro para sa paggamit ng pagkain noong 1999). Ang mga pangunahing legal na instrumento ay ang pagpaparehistro ng estado ng mga genetically modified na organismo, pati na rin ang mga produkto na nagmula sa kanila o naglalaman ng mga ito, na nilayon para gamitin bilang pagkain at feed.
Upang maunawaan ang kasalukuyang sitwasyon, mahalagang sa loob ng 25 taon na lumipas mula noong unang pagpasok ng mga halaman ng GM sa merkado, wala ni isang maaasahang negatibong epekto sa kapaligiran at kalusugan ng tao at hayop ang natukoy sa panahon ng pagsubok o komersyal. gamitin. Isa lamang sa mga pinagmumulan ng mundo - ang ulat ng makapangyarihang lipunan AGBIOS "Essential Biosafety" ay naglalaman ng higit sa 1000 mga sanggunian sa mga pag-aaral na nagpapatunay na ang pagkain at feed na nakuha mula sa mga biotech na pananim ay kasing ligtas ng mga tradisyonal na produkto. Gayunpaman, ngayon sa Russia ay walang legal na balangkas na magpapahintulot sa pagpapalabas sa kapaligiran ng mga halaman ng GM, pati na rin ang mga produkto na nagmula sa kanila o naglalaman ng mga ito, sa teritoryo ng ating bansa. Bilang resulta, noong 2010, wala ni isang planta ng GM ang lumago sa teritoryo ng Russian Federation para sa mga layuning pangkomersyo.
Ayon sa pagtataya, ayon sa Cologne Protocol (2007), sa 2030 ang saloobin sa mga pananim na GM ay magbabago patungo sa pag-apruba ng kanilang paggamit.
Mga nakamit at prospect ng pag-unlad
Genetic engineering sa medisina
Ang mga pangangailangan sa pangangalagang pangkalusugan, ang pangangailangang lutasin ang mga problema ng pagtanda ng populasyon ay bumubuo ng patuloy na pangangailangan para sa genetically engineered na mga parmasyutiko (na may taunang benta na 26 bilyong US dollars) at mga medikal na kosmetiko mula sa mga hilaw na materyales ng halaman at hayop (na may taunang benta na humigit-kumulang 40 bilyong US dollars ). USA).
Kabilang sa maraming mga tagumpay ng genetic engineering na inilapat sa medisina, ang pinakamahalaga ay ang paggawa ng insulin ng tao sa isang pang-industriyang sukat.
Sa kasalukuyan, ayon sa WHO, may humigit-kumulang 110 milyong tao sa mundo na may diabetes. Ang insulin, na ang mga iniksyon ay ipinahiwatig para sa mga pasyente na may sakit na ito, ay matagal nang nakuha mula sa mga organo ng hayop at ginagamit sa medikal na kasanayan. Gayunpaman, ang pangmatagalang paggamit ng insulin ng hayop ay humahantong sa hindi maibabalik na pinsala sa maraming mga organo ng pasyente dahil sa mga reaksiyong immunological na dulot ng pag-iniksyon ng insulin ng hayop na dayuhan sa katawan ng tao. Ngunit kahit na ang mga pangangailangan para sa insulin ng hayop hanggang kamakailan ay nasiyahan lamang ng 60-70%. Kino-clone ng mga genetic engineer ang insulin gene bilang kanilang unang praktikal na hamon. Ang mga na-clone na gene ng insulin ng tao ay ipinakilala sa isang plasmid sa isang bacterial cell, kung saan nagsimula ang synthesis ng isang hormone na hindi pa na-synthesize ng natural na microbial strains. Mula noong 1982, ang mga kumpanya sa US, Japan, Great Britain at iba pang mga bansa ay gumagawa ng genetically engineered na insulin. Sa Russia, ang pagkuha ng genetically engineered na insulin ng tao - Ang Insuran ay isinasagawa sa Institute of Bioorganic Chemistry. MM. Sina Shemyakin at Yu.A. Ovchinnikov RAS. Ngayon, ang domestic insulin ay ginawa sa dami na sapat para sa mga pasyenteng may diabetes sa Moscow. Kasabay nito, ang pangangailangan ng buong merkado ng Russia para sa genetically engineered na insulin ay natutugunan pangunahin ng mga supply ng pag-import. Ang pandaigdigang merkado para sa insulin ay kasalukuyang higit sa 400 milyong dolyar, ang taunang pagkonsumo ay halos 2500 kg.
Ang pag-unlad ng genetic engineering noong 80s ng huling siglo ay nagbigay ng magandang simula para sa Russia sa paglikha ng genetically engineered strains ng mga microorganism na may nais na mga katangian - mga producer ng biologically active substances, sa pagbuo ng genetically engineered na mga pamamaraan para sa muling pagtatayo ng genetic material ng mga virus, sa paggawa ng mga panggamot na sangkap, kabilang ang paggamit ng computer simulation. Ang recombinant interferon at mga form ng dosis batay dito para sa mga layuning medikal at beterinaryo, interleukin (b-leukin), erythropoietin, ay dinala sa yugto ng produksyon. Sa kabila ng lumalaking pangangailangan para sa mataas na purified paghahanda, ang domestic produksyon ng immunoglobulins, albumin, plasmol ay nagbibigay ng 20% ng mga pangangailangan ng domestic market.
Aktibong isinasagawa ang pananaliksik upang makabuo ng mga bakuna para sa pag-iwas at paggamot ng hepatitis, AIDS at ilang iba pang mga sakit, pati na rin ang mga bagong henerasyong conjugate na bakuna laban sa pinakamahahalagang impeksyon sa lipunan. Ang mga polymer-subunit na bakuna ng isang bagong henerasyon ay binubuo ng mataas na purified protective antigens ng iba't ibang kalikasan at isang carrier - polyoxidonium immunostimulant, na nagbibigay ng mas mataas na antas ng tiyak na immune response. Ang Russia ay maaaring magbigay ng mga pagbabakuna laban sa karamihan ng mga kilalang impeksyon sa batayan ng sarili nitong immunological production. Tanging ang paggawa ng bakuna sa rubella ang ganap na wala.
Genetic engineering para sa agrikultura
Ang genetic na pagpapabuti ng mga pananim at mga halamang ornamental ay isang mahaba at tuluy-tuloy na proseso gamit ang mas tumpak at mahuhulaan na mga teknolohiya. Ganito ang sabi ng isang siyentipikong ulat ng UN (1989): “Dahil ang mga molecular technique ay ang pinakatumpak, ang mga gumagamit nito ay higit na nagtitiwala sa mga katangiang ibinibigay nila sa mga halaman at samakatuwid ay mas malamang na magkaroon ng hindi sinasadyang mga epekto kaysa kapag ginamit ang mga ito. conventional breeding method .
Ang mga benepisyo ng mga bagong teknolohiya ay malawakang ginagamit sa mga bansa tulad ng United States, Argentina, India, China at Brazil, kung saan ang mga genetically modified crops ay nililinang sa malalaking lugar.
Malaki rin ang kahalagahan ng mga bagong teknolohiya sa mahihirap na magsasaka at mamamayan sa mahihirap na bansa, lalo na sa mga kababaihan at mga bata. Halimbawa, ang GM, cotton-resistant na peste at mais ay nangangailangan ng mas kaunting paggamit ng insecticide (na ginagawang mas ligtas ang trabaho sa bukid). Ang ganitong mga pananim ay nag-aambag sa mas mataas na ani, mas mataas na kita para sa mga magsasaka, nabawasan ang kahirapan at ang panganib ng kemikal na pagkalason sa pestisidyo ng populasyon, na totoo lalo na sa ilang mga bansa, kabilang ang India, China, South Africa at Pilipinas.
Ang pinakakaraniwang GM na pananim ay ang mga lumalaban sa pinakamurang mahal, hindi nakakalason, at pinakamalawak na ginagamit na herbicide. Ang paglilinang ng naturang mga pananim ay nagbibigay-daan sa iyo upang makakuha ng mas mataas na ani sa bawat ektarya, mapupuksa ang nakakapagod na manu-manong pag-weeding, gumastos ng mas kaunting pera sa pamamagitan ng minimal o walang pagbubungkal, na humahantong naman sa pagbawas ng pagguho ng lupa.
Nakita ng 2009 ang pagpapalit ng mga unang henerasyong GM na pananim ng mga produktong pangalawang henerasyon, na humahantong sa mas mataas na ani sa bawat isa sa unang pagkakataon. Isang halimbawa ng isang bagong klase ng biotech na pananim (na pinaghirapan ng maraming mananaliksik) ay ang RReady2Yield™ glyphosate-tolerant na soybean, na lumago noong 2009 sa US at Canada sa mahigit 0.5 milyong ektarya.
Ang pagpapakilala ng genetic engineering sa modernong agrobiology ay maaaring ilarawan sa pamamagitan ng mga sumusunod na katotohanan mula sa isang bilang ng mga dayuhang pagsusuri ng eksperto, kabilang ang taunang pagsusuri ng independiyenteng International Service for Monitoring the Application of Agrobiotechnologies (ISAAA), na pinamumunuan ng kilalang eksperto sa mundo na si Clive James (Claiv James): (www.isaaa.org)
Noong 2009, ang mga pananim na GM ay lumago sa 25 bansa sa 134 milyong ektarya (9% ng 1.5 bilyong ektarya ng lupang taniman ng mundo). Anim na bansa sa EU (sa 27) ang nagtanim ng Bt corn, at noong 2009 ang lugar sa ilalim ng cultivation ay umabot sa higit sa 94,750 ha. Pagsusuri ng pandaigdigang epekto sa ekonomiya ng paggamit ng mga biotech na pananim para sa panahon mula 1996 hanggang 2008. nagpapakita ng pagtaas ng kita na $51.9 bilyon salamat sa dalawang pinagmumulan: una, ito ay isang pagbawas sa mga gastos sa produksyon (50%) at, pangalawa, isang makabuluhang pagtaas sa ani (50%) sa halagang 167 milyong tonelada.
Noong 2009, ang kabuuang market value ng GM crop seeds sa mundo ay $10.5 billion. Ang kabuuang halaga ng butil ng biotech na mais at soybeans, pati na rin ang cotton, ay $130 bilyon noong 2008 at inaasahang lalago ng 10-15% taun-taon.
Tinataya na kung ang biotechnology ay ganap na pinagtibay, sa pagtatapos ng panahon ng 2006-2015, ang kita ng lahat ng mga bansa sa mga tuntunin ng GDP ay tataas ng 210 bilyong US dollars bawat taon.
Ang mga obserbasyon na ginawa mula nang ipakilala ang herbicide-tolerant na mga pananim sa agrikultura ay nakakumbinsi na ebidensya na ang mga magsasaka ay nagawang kontrolin ang mga damo nang mas epektibo. Kasabay nito, ang pagluwag at pag-aararo sa mga bukirin ay nawawalan ng kahalagahan bilang isang paraan ng pagkontrol ng damo. Bilang resulta, nababawasan ang pagkonsumo ng gasolina ng traktor, napabuti ang istraktura ng lupa at napipigilan ang pagguho ng lupa. Ang mga naka-target na programa sa pamatay-insekto para sa Bt cotton ay kinabibilangan ng mas kaunting mga spray ng pananim at samakatuwid ay mas kaunting field trip, na nagreresulta sa pagbawas ng pagguho ng lupa. Ang lahat ng ito ay hindi sinasadyang nag-aambag sa pagpapakilala ng conservation tillage technology na naglalayong bawasan ang pagguho ng lupa, antas ng carbon dioxide at bawasan ang pagkawala ng tubig.
Ang kasalukuyang estado ng agham ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang pinagsamang diskarte, ang paglikha ng pinag-isang teknolohikal na mga platform para sa isang malawak na hanay ng pananaliksik. Pinagsasama nila hindi lamang ang biotechnology, molecular biology at genetic engineering, kundi pati na rin ang chemistry, physics, bioinformatics, transcriptomics, proteomics, metabolomics.
Inirerekomenda ang pagbabasa
1. J. Watson. Molecular biology ng gene. M.: Mir. 1978.
2. Stent G., Kalindar R. Molecular genetics. M.: Mir. 1981
3. S.N. Shchelkunov "Genetic engineering". Novosibirsk, Siberian University Press, 2008
4. Glick B. Molecular biotechnology. Mga Prinsipyo at aplikasyon / B. Glick, J. Pasternak. M.: Mir, 2002
5. Genetic engineering ng mga halaman. Gabay sa laboratoryo. In-edit ni J. Draper, R. Scott, F. Armitage, R. Walden. M.: "Mir". 1991.
6. Agrobiotechnology sa mundo. Ed. Skryabina K.G. M.: Center "Bioengineering" RAS, 2008. - 135 p.
7. Clark. D., Russell L. Molecular biology ay isang simple at nakakaaliw na diskarte. M.: CJSC "Kompanya KOND". 2004
Mga link
1. "Sa regulasyon ng estado ng mga aktibidad sa genetic engineering." FZ-86 bilang susugan. 2000, art.1
2. Cologne Protocol, Cologne Paper, pinagtibay sa kumperensyang "Tungo sa isang Bioeconomy na Nakabatay sa Kaalaman" (Cologne, 30 Mayo 2007), na inorganisa ng European Union sa panahon ng German EU Presidency.
GENETIC ENGINEERING, isang hanay ng mga pamamaraan ng biochemistry at molecular genetics, sa tulong kung saan ang direktang kumbinasyon ng genetic na impormasyon ng anumang mga organismo ay isinasagawa. Ginagawang posible ng genetic engineering na malampasan ang mga natural na interspecies na hadlang na pumipigil sa pagpapalitan ng genetic na impormasyon sa pagitan ng taxonomically ditant species ng mga organismo, at upang lumikha ng mga cell at organismo na may mga kumbinasyon ng mga gene na wala sa kalikasan, na may ibinigay na mga katangiang namamana. Ang pangunahing bagay ng epekto ng genetic engineering ay ang carrier ng genetic na impormasyon - deoxyribonucleic acid (DNA), ang molekula na karaniwang binubuo ng dalawang chain. Ang mahigpit na pagtitiyak ng pagpapares ng purine at pyrimidine base ay tumutukoy sa pag-aari ng complementarity - ang mutual na pagsusulatan ng mga nucleotide sa dalawang chain. Ang paglikha ng mga bagong kumbinasyon ng mga gene ay naging posible dahil sa pangunahing pagkakapareho ng istraktura ng mga molekula ng DNA sa lahat ng mga uri ng mga organismo, at ang aktwal na pagiging pangkalahatan ng genetic code ay nagsisiguro sa pagpapahayag ng mga dayuhang gene (ang pagpapakita ng kanilang functional na aktibidad. ) sa anumang uri ng cell. Pinadali din ito ng akumulasyon ng kaalaman sa larangan ng chemistry ng nucleic acid, ang pagkilala sa mga tampok na molekular ng samahan at paggana ng mga gene (kabilang ang pagtatatag ng mga mekanismo para sa pag-regulate ng kanilang pagpapahayag at ang posibilidad ng pag-subordinate ng mga gene sa pagkilos ng " dayuhang" regulatory elements), ang pagbuo ng DNA sequencing method, ang pagtuklas ng polymerase chain reaction, na nagpapahintulot sa mabilis na synthesize ng anumang piraso ng DNA. Ang mga mahahalagang kinakailangan para sa paglitaw ng genetic engineering ay: ang pagtuklas ng mga plasmid na may kakayahang autonomous na pagtitiklop at paglipat mula sa isang bacterial cell patungo sa isa pa, at ang phenomenon ng transduction - ang paglipat ng ilang mga gene sa pamamagitan ng bacteriophages, na naging posible upang mabuo ang konsepto ng mga vector: mga molekula ng carrier ng gene. Ang pinakamahalaga sa pagbuo ng pamamaraan ng genetic engineering ay ang mga enzyme na kasangkot sa pagbabagong-anyo ng mga nucleic acid: restriction enzymes (kilalanin ang mahigpit na tinukoy na mga pagkakasunud-sunod sa mga molekula ng DNA - mga site - at "i-cut" ang double chain sa mga lugar na ito), DNA ligases (covalently bid indibidwal na mga fragment ng DNA), reverse transcriptase (nag-synthesize ng isang komplementaryong kopya ng DNA, o cDNA, sa isang template ng RNA), atbp. Tanging sa kanilang presensya, ang paglikha ng mga artipisyal na istruktura ay naging isang teknikal na magagawa na gawain. Ang mga enzyme ay ginagamit upang makakuha ng indibidwal na mga fragment ng DNA (mga gene) at lumikha ng mga molecular hybrids - recombinant DNA (recDNA) batay sa DNA ng mga plasmid at mga virus. Ang huli ay naghahatid ng nais na gene sa host cell, tinitiyak ang pagpaparami nito (cloning) at ang pagbuo ng panghuling produkto ng gene (ang pagpapahayag nito) doon.
Mga prinsipyo ng paglikha ng mga recombinant na molekula ng DNA. Ang terminong "genetic engineering" ay naging laganap pagkatapos na si P. Berg at ang kanyang mga katrabaho ay unang nakakuha ng recombinant na DNA noong 1972, na isang hybrid kung saan ang mga fragment ng DNA ng isang Escherichia coli bacterium, ang virus nito (bacteriophage λ) at DNA ng monkey virus Ang SV40 ay konektado (Larawan 1). Noong 1973, ginamit ni S. Cohen et al. ang pSC101 plasmid at isang restriction enzyme (EcoRI), na hinahati ito sa isang lugar sa paraang ang maikling komplementaryong single-stranded na "tails" (karaniwang 4-6 nucleotides) ay nabuo sa ang mga dulo ng isang double-stranded na molekula ng DNA. Tinawag silang "malagkit" dahil maaari silang mag-asawa (uri ng magkadikit) sa isa't isa. Kapag ang naturang DNA ay hinaluan ng mga dayuhang fragment ng DNA na ginagamot sa parehong restriction enzyme at pagkakaroon ng parehong malagkit na dulo, nakuha ang mga bagong hybrid na plasmid, bawat isa ay naglalaman ng hindi bababa sa isang dayuhang fragment ng DNA na ipinasok sa EcoRI site ng plasmid (Fig. 2). Naging malinaw na ang mga fragment ng iba't ibang dayuhang DNA na nakuha kapwa mula sa mga mikroorganismo at mula sa mas mataas na eukaryotes ay maaaring maipasok sa naturang mga plasmid.
Ang pangunahing kasalukuyang diskarte para sa pagkuha ng recDNA ay ang mga sumusunod:
1) Ang mga fragment ng DNA na kabilang sa isa pang organismo na naglalaman ng ilang partikular na gene o artipisyal na nakuhang nucleotide sequence na interesado sa mananaliksik ay ipinasok sa DNA ng isang plasmid o virus na maaaring magparami nang hiwalay sa chromosome;
2) ang mga resultang hybrid na molekula ay ipinapasok sa mga sensitibong prokaryotic o eukaryotic na mga selula, kung saan sila ay gumagaya (multiply, amplify) kasama ang mga fragment ng DNA na naka-embed sa kanila;
3) pumili ng mga cell clone sa anyo ng mga kolonya sa espesyal na nutrient media (o mga virus sa anyo ng mga clearing zone - mga plake sa isang layer ng tuluy-tuloy na paglaki ng mga bacterial cell o mga kultura ng tissue ng hayop) na naglalaman ng nais na mga uri ng mga molekula ng recDNA at ipasa ang mga ito sa isang komprehensibong pag-aaral sa istruktura at functional. Upang mapadali ang pagpili ng mga cell kung saan naroroon ang recDNA, ginagamit ang mga vector na naglalaman ng isa o higit pang mga marker. Sa plasmids, halimbawa, ang mga antibiotic resistance genes ay maaaring magsilbi bilang mga marker (ang pagpili ng mga cell na naglalaman ng recDNA ay isinasagawa ayon sa kanilang kakayahang lumaki sa pagkakaroon ng isa o ibang antibiotic). Ang mga RecDNA na nagdadala ng gustong mga gene ay pinipili at ipinapasok sa mga cell ng tatanggap. Mula sa sandaling ito, nagsisimula ang molecular cloning - pagkuha ng mga kopya ng recDNA, at, dahil dito, mga kopya ng mga target na gene sa komposisyon nito. Kung posible lamang na paghiwalayin ang lahat ng inilipat o nahawaang mga cell, ang bawat clone ay kakatawanin ng isang hiwalay na kolonya ng cell at naglalaman ng isang tiyak na recDNA. Sa huling yugto, ang pagkilala (paghahanap) ng mga clone na naglalaman ng nais na gene ay isinasagawa. Ito ay batay sa katotohanan na ang pagpasok sa recDNA ay tumutukoy sa ilang natatanging katangian ng cell na naglalaman nito (halimbawa, ang expression na produkto ng ipinasok na gene). Sa mga eksperimento sa molecular cloning, 2 pangunahing prinsipyo ang sinusunod: wala sa mga cell kung saan nagaganap ang recDNA cloning ay dapat tumanggap ng higit sa isang plasmid molecule o viral particle; ang huli ay dapat na makagaya.
Ang isang malawak na hanay ng plasmid at viral DNA ay ginagamit bilang mga molekula ng vector sa genetic engineering. Ang pinakasikat na cloning vectors ay naglalaman ng ilang genetic marker at may isang site ng pagkilos para sa iba't ibang restrictases. Ang ganitong mga kinakailangan, halimbawa, ay pinakamahusay na natutugunan ng plasmid pBR322, na itinayo mula sa orihinal na natural na nagaganap na plasmid gamit ang mga pamamaraan na ginamit kapag nagtatrabaho sa recDNA; naglalaman ito ng mga gene para sa paglaban sa ampicillin at tetracycline, pati na rin ang isang lugar ng pagkilala para sa 19 na magkakaibang restrictases. Ang isang espesyal na kaso ng cloning vectors ay expression vectors, na, kasama ng amplification, tinitiyak ang tama at mahusay na pagpapahayag ng mga dayuhang gene sa mga cell ng tatanggap. Sa ilang mga kaso, masisiguro ng mga molekular na vector ang pagsasama ng dayuhang DNA sa genome ng isang cell o virus (tinatawag silang mga integrative vectors).
Ang isa sa pinakamahalagang gawain ng genetic engineering ay ang paglikha ng mga strain ng bacteria o yeast, mga cell line ng tissue ng hayop o halaman, pati na rin ang mga transgenic na halaman at hayop (tingnan ang Transgenic organisms), na titiyakin ang mahusay na pagpapahayag ng mga gene na na-clone sa sila. Ang isang mataas na antas ng produksyon ng protina ay nakakamit kung ang mga gene ay na-clone sa multicopy vectors, dahil sa kasong ito, ang target na gene ay makikita sa cell sa malalaking numero. Mahalaga na ang DNA coding sequence ay nasa ilalim ng kontrol ng isang promoter na epektibong kinikilala ng RNA polymerase ng cell, at ang resultang mRNA ay medyo matatag at mahusay na isinalin. Bilang karagdagan, ang isang dayuhang protina na na-synthesize sa mga cell ng tatanggap ay hindi dapat sumailalim sa mabilis na pagkasira ng intracellular protease. Kapag lumilikha ng mga transgenic na hayop at halaman, kadalasang nakakamit ang pagpapahayag na partikular sa tissue ng mga ipinakilalang target na gene.
Dahil ang genetic code ay unibersal, ang posibilidad ng pagpapahayag ng gene ay natutukoy lamang sa pamamagitan ng pagkakaroon nito sa komposisyon ng mga signal para sa pagsisimula at pagwawakas ng transkripsyon at pagsasalin, na tama na kinikilala ng host cell. Dahil ang karamihan sa mga gene ng mas matataas na eukaryote ay may hindi tuluy-tuloy na istraktura ng exon-intron, bilang resulta ng transkripsyon ng naturang mga gene, nabuo ang isang messenger RNA precursor (pre-mRNA), kung saan, sa panahon ng kasunod na splicing, non-coding sequence - introns ay cleaved at mature mRNA ay nabuo. Ang ganitong mga gene ay hindi maaaring ipahayag sa mga bacterial cell na walang splicing system. Upang malampasan ang balakid na ito, ang isang kopya ng DNA (cDNA) ay na-synthesize sa mga mature na molekula ng mRNA gamit ang reverse transcriptase, kung saan ang pangalawang strand ay nakumpleto gamit ang DNA polymerase. Ang nasabing mga fragment ng DNA na tumutugma sa pagkakasunud-sunod ng coding ng mga gene (hindi na pinaghihiwalay ng mga intron) ay maaaring ipasok sa isang angkop na molekular na vector.
Alam ang pagkakasunud-sunod ng amino acid ng target na polypeptide, posible na i-synthesize ang pagkakasunud-sunod ng nucleotide na pag-encode nito, pagkuha ng tinatawag na katumbas na gene, at ipasok ito sa naaangkop na vector ng expression. Kapag lumilikha ng isang katumbas na gene, karaniwang isinasaalang-alang ng isa ang pag-aari ng pagkabulok ng genetic code (20 amino acids ay naka-encode ng 61 codons) at ang dalas ng paglitaw ng mga codon para sa bawat amino acid sa mga cell na kung saan ang gene na ito ay binalak. na ipakilala, dahil ang komposisyon ng mga codon ay maaaring magkaiba nang malaki sa iba't ibang mga organismo. Ang wastong napiling mga codon ay maaaring makabuluhang tumaas ang produksyon ng target na protina sa cell ng tatanggap.
Ang halaga ng genetic engineering. Ang genetic engineering ay lubos na pinalawak ang mga eksperimentong hangganan ng molecular biology, dahil naging posible na ipakilala ang dayuhang DNA sa iba't ibang uri ng mga cell at pag-aralan ang mga function nito. Ginawa nitong posible na ipakita ang pangkalahatang biological na mga pattern ng organisasyon at pagpapahayag ng genetic na impormasyon sa iba't ibang mga organismo. Ang diskarte na ito ay nagbukas ng mga prospect para sa paglikha ng panimula ng mga bagong microbiological producer ng biologically active substances, pati na rin ang mga hayop at halaman na nagdadala ng functionally active foreign genes. Maraming dati nang hindi naa-access na mga biologically active na protina ng tao, kabilang ang mga interferon, interleukin, peptide hormone, at blood factor, ay nagsimulang gawin sa malalaking dami sa bacterial, yeast, o mammalian cells at malawakang ginagamit sa medisina. Bukod dito, naging posible ang artipisyal na lumikha ng mga gene na nag-encode ng mga chimeric polypeptides na may mga katangian ng dalawa o higit pang mga natural na protina. Ang lahat ng ito ay nagbigay ng isang malakas na impetus sa pag-unlad ng biotechnology.
Ang mga pangunahing bagay ng genetic engineering ay ang bacteria na Escherichia coli (Escherichia coli) at Bacillis subtilis (hay bacillus), baker's yeast Sacccharomices cerevisiae, iba't ibang mammalian cell lines. Ang hanay ng mga bagay ng epekto ng genetic engineering ay patuloy na lumalawak. Ang mga direksyon ng pananaliksik sa paglikha ng mga transgenic na halaman at hayop ay masinsinang binuo. Ang pinakabagong mga henerasyon ng mga bakuna laban sa iba't ibang mga nakakahawang ahente ay nilikha gamit ang mga pamamaraan ng genetic engineering (ang una sa kanila ay nilikha batay sa lebadura na gumagawa ng protina sa ibabaw ng virus ng hepatitis B ng tao). Maraming pansin ang binabayaran sa pagbuo ng mga cloning vectors batay sa mga mammalian virus at ang kanilang paggamit para sa paglikha ng mga live na polyvalent na bakuna para sa mga pangangailangan ng beterinaryo na gamot at gamot, pati na rin ang mga molekular na vector para sa gene therapy ng mga cancerous tumor at hereditary disease. Ang isang paraan ay binuo para sa direktang pagpapakilala ng recDNA sa mga organismo ng tao at hayop, na nagdidirekta sa paggawa ng mga antigen ng iba't ibang mga nakakahawang ahente sa kanilang mga selula (pagbabakuna sa DNA). Ang pinakabagong trend sa genetic engineering ay ang paglikha ng mga nakakain na bakuna batay sa mga transgenic na halaman tulad ng mga kamatis, karot, patatas, mais, lettuce, atbp., na gumagawa ng mga immunogenic na protina ng mga nakakahawang ahente.
Mga takot na nauugnay sa pagsasagawa ng mga eksperimento sa genetic engineering. Di-nagtagal pagkatapos ng unang matagumpay na mga eksperimento sa pagkuha ng recDNA, isang grupo ng mga siyentipiko na pinamumunuan ni P. Berg ang iminungkahi na limitahan ang ilang mga eksperimento sa genetic engineering. Ang mga takot na ito ay batay sa katotohanan na ang mga katangian ng mga organismo na naglalaman ng dayuhang genetic na impormasyon ay mahirap hulaan. Maaari silang makakuha ng hindi kanais-nais na mga palatandaan, makagambala sa balanse ng ekolohiya, humantong sa paglitaw at pagkalat ng mga hindi pangkaraniwang sakit sa mga tao, hayop, at halaman. Bilang karagdagan, nabanggit na ang interbensyon ng tao sa genetic apparatus ng mga buhay na organismo ay imoral at maaaring magdulot ng hindi kanais-nais na panlipunan at etikal na mga kahihinatnan. Noong 1975, ang mga problemang ito ay tinalakay sa isang internasyonal na kumperensya sa Asilomar (USA). Ang mga kalahok nito ay dumating sa konklusyon na ito ay kinakailangan upang ipagpatuloy ang paggamit ng mga pamamaraan ng genetic engineering, ngunit sa obligadong pagsunod sa ilang mga patakaran at rekomendasyon. Kasunod nito, ang mga patakarang ito, na itinatag sa isang bilang ng mga bansa, ay lubos na nakakarelaks at nabawasan sa mga pamamaraan na karaniwan sa microbiological na pananaliksik, ang paglikha ng mga espesyal na proteksiyon na aparato na pumipigil sa pagkalat ng mga biological na ahente sa kapaligiran, ang paggamit ng mga ligtas na vector at mga cell ng tatanggap na huwag magparami sa natural na kondisyon.
Kadalasan, ang genetic engineering ay nauunawaan lamang bilang trabaho sa recDNA, at ang mga terminong "molecular cloning", "DNA cloning", "gene cloning" ay ginagamit bilang mga kasingkahulugan para sa genetic engineering. Gayunpaman, ang lahat ng konseptong ito ay sumasalamin sa nilalaman ng mga indibidwal na operasyon ng genetic engineering lamang at samakatuwid ay hindi katumbas ng terminong "genetic engineering". Sa Russia, ang terminong "genetic engineering" ay malawakang ginagamit bilang isang kasingkahulugan para sa genetic engineering. Gayunpaman, iba ang semantic na nilalaman ng mga terminong ito: ang genetic engineering ay naglalayong lumikha ng mga organismo na may bagong genetic program, habang ang terminong "genetic engineering" ay nagpapaliwanag kung paano ito ginagawa - sa pamamagitan ng pagmamanipula ng mga gene.
Lit.: Shchelkunov S. N. Pag-clone ng mga gene. Novosib., 1986; siya ay. genetic engineering. 2nd ed., Novosib., 2004; Watson J., Tooze J., Kurtz D. Recombinant na DNA. M., 1986; Pag-clone ng DNA. Paraan. M., 1988; Bago sa DNA cloning: Mga Paraan. M., 1989.
1. Mga posibilidad ng genetic engineering. 4
2. Kasaysayan ng genetic engineering. 6
3. Genetic engineering bilang isang agham. Mga pamamaraan ng genetic engineering. sampu
4. Mga larangan ng aplikasyon ng genetic engineering. 12
5. Mga siyentipikong katotohanan tungkol sa mga panganib ng genetic engineering. labing-walo
Konklusyon. 22
Mga Sanggunian.. 23
Panimula
Ang paksa ng genetic engineering ay lalong naging popular sa mga nakaraang taon. Karamihan sa pansin ay binabayaran sa mga negatibong kahihinatnan na maaaring humantong sa pag-unlad ng sangay ng agham na ito, at ang mga benepisyo na maidudulot ng genetic engineering sa napakaliit na lawak ay saklaw.
Ang pinaka-promising na lugar ng aplikasyon ay ang paggawa ng mga gamot gamit ang mga teknolohiyang genetic engineering. Kamakailan, naging posible na makakuha ng mga kapaki-pakinabang na bakuna batay sa mga transgenic na halaman. Ang hindi gaanong interes ay ang paggawa ng mga produktong pagkain gamit ang lahat ng parehong mga teknolohiya.
Ang genetic engineering ay ang agham ng hinaharap. Sa ngayon, milyon-milyong ektarya ng lupa sa buong mundo ang inihahasik ng mga transgenic na halaman, ang mga natatanging gamot at mga bagong producer ng mga kapaki-pakinabang na sangkap ay nililikha. Sa paglipas ng panahon, ang genetic engineering ay magbibigay-daan sa mga bagong pagsulong sa medisina, agrikultura, pagproseso ng pagkain at pag-aalaga ng hayop.
Ang layunin ng gawaing ito ay pag-aralan ang mga tampok ng posibilidad, ang kasaysayan ng pag-unlad at ang saklaw ng genetic engineering.
1. Mga posibilidad ng genetic engineering
Ang isang mahalagang bahagi ng biotechnology ay genetic engineering. Ipinanganak noong unang bahagi ng 70s, nakamit niya ang mahusay na tagumpay ngayon. Binabago ng mga genetic engineering technique ang bacteria, yeast at mammalian cells sa mga "pabrika" para sa malakihang produksyon ng anumang protina. Ginagawa nitong posible na pag-aralan nang detalyado ang istraktura at pag-andar ng mga protina at gamitin ang mga ito bilang mga gamot. Sa kasalukuyan, ang Escherichia coli (E. coli) ay naging tagapagtustos ng mga mahahalagang hormone gaya ng insulin at somatotropin. Noong nakaraan, ang insulin ay nakuha mula sa mga selula ng pancreas ng hayop, kaya ang halaga nito ay napakataas. Upang makakuha ng 100 g ng crystalline na insulin, kinakailangan ang 800-1000 kg ng pancreas, at ang isang glandula ng isang baka ay tumitimbang ng 200-250 gramo. Naging mahal ang insulin at mahirap i-access para sa malawak na hanay ng mga diabetic. Noong 1978, ginawa ng mga mananaliksik sa Genentech ang unang insulin sa isang espesyal na engineered strain ng Escherichia coli. Ang insulin ay binubuo ng dalawang polypeptide chain A at B, 20 at 30 amino acid ang haba. Kapag sila ay konektado sa pamamagitan ng disulfide bond, nabuo ang katutubong double-chain na insulin. Ito ay ipinakita na walang E. coli proteins, endotoxins at iba pang mga impurities, walang side effect tulad ng animal insulin, at walang biological activity.
ay iba. Kasunod nito, ang proinsulin ay na-synthesize sa E. coli cells, kung saan ang isang kopya ng DNA ay na-synthesize sa template ng RNA gamit ang reverse transcriptase. Pagkatapos ng paglilinis ng nakuha na proinsulin, ito ay nahati at nakuha ang katutubong insulin, habang ang mga yugto ng pagkuha at paghihiwalay ng hormone ay pinaliit. Mula sa 1000 litro ng fluid ng kultura, hanggang sa 200 gramo ng hormone ang maaaring makuha, na katumbas ng halaga ng insulin na itinago mula sa 1600 kg ng pancreas ng isang baboy o baka.
Ang Somatotropin ay isang human growth hormone na itinago ng pituitary gland. Ang kakulangan ng hormone na ito ay humahantong sa pituitary dwarfism. Kung ang somatotropin ay ibinibigay sa mga dosis na 10 mg bawat kg ng timbang ng katawan tatlong beses sa isang linggo, pagkatapos sa isang taon ang isang bata na nagdurusa mula sa kakulangan nito ay maaaring lumaki ng 6 cm. panghuling produktong parmasyutiko. Kaya, ang mga halaga ng hormone na magagamit ay limitado, bukod pa rito, ang hormone na ginawa ng pamamaraang ito ay heterogenous at maaaring maglaman ng mabagal na pagbuo ng mga virus. Ang kumpanya na "Genentec" noong 1980 ay bumuo ng isang teknolohiya para sa produksyon ng growth hormone sa tulong ng bakterya, na wala sa mga pagkukulang na ito. Noong 1982, ang hormone ng paglago ng tao ay nakuha sa kultura ng E. coli at mga selula ng hayop sa Pasteur Institute sa France, at mula noong 1984 ang pang-industriya na produksyon ng insulin ay nagsimula sa USSR. Sa paggawa ng interferon, parehong E. coli, S. cerevisae (lebadura), at isang kultura ng fibroblast o transformed leukocytes ay ginagamit. Ang mga ligtas at murang bakuna ay nakukuha rin sa mga katulad na pamamaraan.
Ang paggawa ng napakaspesipikong DNA probes ay batay sa teknolohiya ng recombinant DNA, sa tulong kung saan pinag-aaralan nila ang expression ng gene sa mga tissue, ang localization ng mga gene sa chromosome, at nakikilala ang mga gene na may kaugnay na mga function (halimbawa, sa mga tao at manok. ). Ginagamit din ang DNA probes sa pagsusuri ng iba't ibang sakit.
Ginawang posible ng teknolohiyang recombinant na DNA ang isang hindi kinaugalian na diskarte sa protina-gene na tinatawag na reverse genetics. Sa diskarteng ito, ang isang protina ay nakahiwalay mula sa cell, ang gene ng protina na ito ay na-clone, at ito ay binago, na lumilikha ng isang mutant gene na nag-encode ng isang binagong anyo ng protina. Ang resultang gene ay ipinakilala sa cell. Kung ito ay ipinahayag, ang cell na nagdadala nito at ang mga inapo nito ay mag-synthesize ng binagong protina. Sa ganitong paraan, maaaring maitama ang mga may sira na gene at magamot ang mga namamana na sakit.
Kung ang hybrid na DNA ay ipinakilala sa isang fertilized na itlog, ang mga transgenic na organismo ay maaaring makuha na nagpapahayag ng mutant gene at ipinapasa ito sa mga supling. Ang genetic na pagbabagong-anyo ng mga hayop ay ginagawang posible upang maitaguyod ang papel ng mga indibidwal na gene at ang kanilang mga produkto ng protina kapwa sa regulasyon ng aktibidad ng iba pang mga gene at sa iba't ibang mga proseso ng pathological. Sa tulong ng genetic engineering, ang mga linya ng mga hayop na lumalaban sa mga sakit na viral, pati na rin ang mga lahi ng hayop na may mga katangiang kapaki-pakinabang para sa mga tao, ay nilikha. Halimbawa, ang microinjection ng recombinant DNA na naglalaman ng bovine somatotropin gene sa isang rabbit zygote ay naging posible upang makakuha ng isang transgenic na hayop na may hyperproduction ng hormone na ito. Ang mga nagresultang hayop ay binibigkas ang acromegaly.
Ang mga carrier ng materyal na pundasyon ng mga gene ay mga chromosome, na kinabibilangan ng DNA at mga protina. Ngunit ang mga gene ng pagbuo ay hindi kemikal, ngunit gumagana. Mula sa isang functional na punto ng view, ang DNA ay binubuo ng maraming mga bloke na nag-iimbak ng isang tiyak na halaga ng impormasyon - mga gene. Ang pagkilos ng isang gene ay batay sa kakayahang matukoy ang synthesis ng protina sa pamamagitan ng RNA. Sa molekula ng DNA, tulad nito, ang impormasyon ay naitala na tumutukoy sa kemikal na istraktura ng mga molekula ng protina. Ang gene ay isang seksyon ng molekula ng DNA na naglalaman ng impormasyon tungkol sa pangunahing istruktura ng isang protina (isang gene - isang protina). Dahil mayroong libu-libong protina sa mga organismo, mayroon ding libu-libong mga gene. Ang kabuuan ng lahat ng mga gene ng isang cell ay bumubuo sa genome nito. Ang lahat ng mga selula ng katawan ay naglalaman ng parehong hanay ng mga gene, ngunit bawat isa sa kanila ay nagpapatupad ng ibang bahagi ng nakaimbak na impormasyon. Samakatuwid, halimbawa, ang mga nerve cell ay naiiba sa mga selula ng atay sa parehong istruktura at functional at biological na mga tampok.
Ngayon, mahirap pa ngang hulaan ang lahat ng pagkakataong maisasakatuparan sa susunod na mga dekada.
2. Kasaysayan ng genetic engineering
Ang kasaysayan ng mataas na teknolohiyang medikal at biyolohikal, mga pamamaraan ng pananaliksik sa genetic, pati na rin ang genetic engineering mismo, ay direktang nauugnay sa walang hanggang pagnanais ng tao na mapabuti ang mga lahi ng mga alagang hayop at nilinang na halaman. Sa pamamagitan ng pagpili ng ilang mga indibidwal mula sa mga grupo ng mga hayop at halaman at pagtawid sa kanila sa isa't isa, ang tao, walang tamang ideya ng panloob na kakanyahan ng mga proseso na naganap sa loob ng mga nabubuhay na nilalang, gayunpaman, para sa maraming daan-daang at libu-libong taon na nilikha pinahusay na lahi ng mga hayop at uri ng halaman na nagtataglay ng ilang kapaki-pakinabang at kinakailangang katangian para sa mga tao.
Noong ika-18 at ika-19 na siglo, maraming mga pagtatangka ang ginawa upang malaman kung paano naipapasa ang mga palatandaan mula sa henerasyon hanggang sa henerasyon. Isang mahalagang pagtuklas ang ginawa noong 1760 ng botanist na si Kellreuter, na tumawid sa dalawang uri ng tabako sa pamamagitan ng paglilipat ng pollen mula sa isang uri ng stamen patungo sa isa pang uri ng pistil. Ang mga halaman na nakuha mula sa mga hybrid na buto ay may mga katangiang intermediate sa pagitan ng parehong mga magulang. Lohikal na napagpasyahan ni Kellerreiter mula rito na ang mga katangian ng magulang ay naipapasa kapwa sa pamamagitan ng pollen (mga seed cell) at sa pamamagitan ng mga ovule (ova). Gayunpaman, hindi siya o ang kanyang mga kontemporaryo, na nakikibahagi sa hybridization ng mga halaman at hayop, ay nabigo na ibunyag ang likas na katangian ng mekanismo para sa paghahatid ng pagmamana. Ito ay bahagyang dahil sa ang katunayan na sa oras na iyon ang cytological na batayan ng mekanismong ito ay hindi pa kilala, ngunit higit sa lahat sa katotohanan na sinubukan ng mga siyentipiko na pag-aralan ang pamana ng lahat ng mga katangian ng halaman nang sabay-sabay.
Ang pang-agham na diskarte sa pag-aaral ng pamana ng ilang mga katangian at pag-aari ay binuo ng Austrian Catholic monghe na si Gregor Mendel, na noong tag-araw ng 1865 ay nagsimula ng kanyang mga eksperimento sa hybridization ng halaman (pagtawid sa iba't ibang uri ng mga gisantes) sa teritoryo ng kanyang monasteryo. Natuklasan niya sa unang pagkakataon ang mga pangunahing batas ng genetika. Nagtagumpay si Gregor Mendel dahil pinag-aralan niya ang pamana ng mga natatanging, natatanging (contrasting) na mga katangian, binilang ang bilang ng mga supling ng bawat uri, at maingat na iningatan ang mga detalyadong talaan ng lahat ng kanyang mga eksperimento sa pagtawid. Ang kakilala sa mga pangunahing kaalaman sa matematika ay nagpapahintulot sa kanya na wastong bigyang-kahulugan ang data na nakuha at isulong ang palagay na ang bawat katangian ay tinutukoy ng dalawang namamana na mga kadahilanan. Ang mahuhusay na monghe-researcher ay kalaunan ay malinaw na naipakita na ang mga namamana na pag-aari ay hindi naghahalo, ngunit ipinadala sa mga supling sa anyo ng ilang mga yunit. Ang napakatalino na konklusyon na ito ay kasunod na ganap na nakumpirma kapag posible na makita ang mga chromosome at malaman ang mga tampok ng iba't ibang uri ng cell division: mitosis (somatic cells - body cells), meiosis (sex, reproductive, germinal) at fertilization.
Iniulat ni Mendel ang mga resulta ng kanyang trabaho sa isang pulong ng Brunn Society of Naturalists at inilathala ang mga ito sa mga paglilitis ng lipunang ito. Ang kahalagahan ng kanyang mga resulta ay hindi naunawaan ng kanyang mga kontemporaryo, at ang mga pag-aaral na ito ay hindi nakakaakit ng pansin ng mga breeders at naturalista ng halaman sa loob ng halos 35 taon.
Noong 1900, pagkatapos ng mga detalye ng cell division ayon sa uri ng mitosis, meiosis at fertilization mismo ay nakilala, tatlong mananaliksik - de Vries sa Holland, Correns sa Germany at Tschermak sa Austria - nagsagawa ng isang serye ng mga eksperimento at, nang nakapag-iisa sa bawat isa. , muling natuklasan ang mga batas ng pagmamana, na inilarawan dati ni Mendel. Nang maglaon, nang matuklasan ang artikulo ni Mendel, kung saan ang mga batas na ito ay malinaw na nabuo 35 taon bago sila, ang mga siyentipikong ito ay nagkakaisang nagbigay pugay sa monghe na siyentipiko, na pinangalanan ang dalawang pangunahing batas ng pagmamana sa kanya.
Sa unang dekada ng ika-20 siglo, ang mga eksperimento ay isinagawa kasama ang pinaka magkakaibang mga halaman at hayop, at maraming mga obserbasyon ang ginawa tungkol sa pamana ng mga katangian sa mga tao, na malinaw na nagpakita na ang pagmamana ay sumusunod sa parehong mga pangunahing batas sa lahat ng mga organismo na ito. Napag-alaman na ang mga salik na inilarawan ni Mendel na tumutukoy sa isang partikular na katangian ay matatagpuan sa mga chromosome ng cell nucleus. Kasunod nito, noong 1909, ang mga yunit na ito ay pinangalanan ng Danish botanist na si Johansen genes (mula sa salitang Griyego na "genos" - genus, pinagmulan), at napansin ng Amerikanong siyentipiko na si William Setton ang isang nakakagulat na pagkakapareho sa pagitan ng pag-uugali ng mga chromosome sa panahon ng pagbuo ng mga gametes ( sex cells), ang kanilang fertilization at ang paglipat ng Mendelian hereditary factor - mga gene. Batay sa mga makikinang na pagtuklas na ito, nilikha ang tinatawag na chromosome theory of heredity.
Sa mahigpit na pagsasalita, ang genetika mismo, bilang ang agham ng pagmamana at pagkakaiba-iba ng mga nabubuhay na organismo at ang mga pamamaraan ng pamamahala sa kanila, ay lumitaw sa simula ng ika-20 siglo. Ang American geneticist na si T. Morgan, kasama ang kanyang mga kasamahan, ay nagsagawa ng maraming mga eksperimento na naging posible upang ipakita ang genetic na batayan ng pagpapasiya ng kasarian at ipaliwanag ang isang bilang ng mga hindi pangkaraniwang anyo ng mana kung saan ang paghahatid ng isang katangian ay nakasalalay sa kasarian ng isang indibidwal (ang tinatawag na sex-linked traits). Ang susunod na malaking hakbang pasulong ay ginawa noong 1927, nang malaman ni G. Meller na sa pamamagitan ng pag-iilaw sa fruit fly na Drosophila at iba pang mga organismo na may X-ray, posibleng artipisyal na mag-udyok ng mga pagbabago sa gene sa kanila, iyon ay, mutations. Ginawa nitong posible na makakuha ng maraming bagong mutant genes - karagdagang materyal para sa pag-aaral ng pagmamana. Ang data sa likas na katangian ng mga mutasyon ay nagsilbing isa sa mga susi sa pag-unawa at ang istraktura ng mga gene mismo.
Noong 20s ng ating siglo, ang mga siyentipiko ng Sobyet ng paaralan ng A.S. Serebrovsky, ang mga unang eksperimento ay isinagawa, na nagpapakita kung gaano kumplikado ang gene. Ang mga ideyang ito ay ginamit nina J. Watson at F. Crick, na nakagawa ng isang modelo ng DNA noong 1953 sa England at natukoy ang genetic code. Pinalawak ang gawaing pananaliksik noon na nauugnay sa may layuning paglikha ng mga bagong kumbinasyon ng genetic na materyal, at humantong sa paglitaw ng genetic engineering mismo.
Kasabay nito, noong 1940s, nagsimula ang isang eksperimentong pag-aaral ng relasyon sa pagitan ng mga gene at enzyme. Para sa layuning ito, ang isa pang bagay ay malawakang ginagamit - ang fungus ng amag na Neurospora, kung saan posible na artipisyal na makuha at pag-aralan ang isang bilang ng mga biochemical mutations na nauugnay sa pagkawala ng isa o isa pang espesyal na enzyme (protina). Sa nakalipas na dalawang dekada, ang Escherichia coli at ilang bacteriophage na nakahahawa sa bacterium na ito ang pinakakaraniwang bagay ng genetic research.
Mula sa simula ng ika-20 siglo, nagkaroon ng walang humpay na interes sa pag-aaral ng pagmamana ng ilang (tiyak) na katangian sa mga tao at sa namamana na paghahatid ng mga kanais-nais at hindi kanais-nais na mga katangian sa mga alagang hayop at nilinang na halaman. Batay sa patuloy na dumaraming kaalaman sa mga genetic pattern, natutunan ng mga genetic scientist at breeders, halos mag-order, na magparami ng mga hayop na maaaring mabuhay sa mainit na klima, mga baka na nagbibigay ng maraming gatas na may mataas na taba, mga manok na nangingitlog ng malalaking. na may manipis na shell, mga uri ng mais at trigo, na lubos na lumalaban sa ilang mga sakit.
Noong 1972, ang unang hybrid (recombinant) na DNA ay nakuha sa USA sa laboratoryo ng P. Berg. Ang mga kapana-panabik na ideya sa larangan ng genetika ng tao at mga genetic na pamamaraan ng pananaliksik ay nagsimulang malawakang binuo at inilapat sa gamot mismo. Noong 1970s, nagsimula ang pag-decode ng genome ng tao. Sa loob ng mahigit isang dekada, mayroong isang proyekto na tinatawag na Human Genome. Sa 3 bilyong pares ng mga nucleotide na nakaayos sa tuluy-tuloy na mga sipi, humigit-kumulang 10 milyong karakter lamang ang nabasa sa ngayon. Kasabay nito, ang mga bagong genetic na pamamaraan ay nilikha na nagpapataas ng bilis ng pagbabasa ng DNA. Direktor ng Medical Genetic Center ng Russian Academy of Medical Sciences V.I. Tiyak na naniniwala si Ivanov na "mababasa ang buong genome sa mga 2020."
3. Genetic engineering bilang isang agham. Mga pamamaraan ng genetic engineering
Ang genetic engineering ay ang in vitro construction ng functionally active genetic structures (recombinant DNA), o sa madaling salita, ang paglikha ng mga artipisyal na genetic programs (Baev A.A.). Ayon kay E.S. Ang genetic engineering ng Piruzyan ay isang sistema ng mga eksperimentong pamamaraan na ginagawang posible na bumuo ng mga artipisyal na istrukturang genetic sa laboratoryo (sa isang test tube) sa anyo ng tinatawag na recombinant o hybrid na mga molekula ng DNA.
Pinag-uusapan natin ang tungkol sa direksyon, ayon sa isang paunang natukoy na programa, ang pagtatayo ng mga molecular genetic system sa labas ng katawan kasama ang kanilang kasunod na pagpapakilala sa isang buhay na organismo. Sa kasong ito, ang recombinant DNA ay nagiging mahalagang bahagi ng genetic apparatus ng recipient organism at nagbibigay ng bagong kakaibang genetic, biochemical, at pagkatapos ay physiological properties dito.
Ang layunin ng inilapat na genetic engineering ay ang magdisenyo ng mga naturang recombinant na molekula ng DNA na, kapag ipinakilala sa genetic apparatus, ay magbibigay ng mga katangian ng katawan na kapaki-pakinabang para sa mga tao.
Ang teknolohiya ng recombinant DNA ay gumagamit ng mga sumusunod na pamamaraan:
Tukoy na cleavage ng DNA sa pamamagitan ng restriction nucleases, nagpapabilis sa paghihiwalay at pagmamanipula ng mga indibidwal na gene;
Mabilis na pagkakasunud-sunod ng lahat ng mga nucleotide ng isang purified DNA fragment, na nagbibigay-daan sa iyo upang matukoy ang mga hangganan ng gene at ang pagkakasunud-sunod ng amino acid na naka-encode nito;
Konstruksyon ng recombinant DNA;
Nucleic acid hybridization, na nagbibigay-daan sa pagtuklas ng mga partikular na RNA o DNA sequence na may higit na katumpakan at sensitivity batay sa kanilang kakayahang magbigkis ng mga pantulong na nucleic acid sequence;
Pag-clone ng DNA: in vitro amplification sa pamamagitan ng polymerase chain reaction o pagpapakilala ng isang fragment ng DNA sa isang bacterial cell, na, pagkatapos ng naturang pagbabago, ay nagpaparami ng fragment na ito sa milyun-milyong kopya;
Pagpapasok ng recombinant DNA sa mga cell o organismo.
4. Mga larangan ng aplikasyon ng genetic engineering
Ang mga siyentipikong pagtuklas na kasalukuyang ginagawa sa larangan ng genetika ng tao ay sa katunayan ng rebolusyonaryong kahalagahan, dahil pinag-uusapan natin ang posibilidad na lumikha ng isang "mapa ng genome ng tao", o "pathological anatomy ng genome ng tao". Ang genetic na mapa na ito ay magbibigay-daan sa lokasyon ng mga gene na responsable para sa ilang mga namamana na sakit sa isang mahabang DNA helix. Ayon sa mga genetic scientist, ang walang limitasyong mga posibilidad na ito ay naging batayan para sa ideya ng paglalapat sa klinikal na kasanayan ng tinatawag na gene therapy, na isang direksyon sa paggamot ng mga pasyente na nauugnay sa pagpapalit ng mga apektadong gene gamit ang mataas na biomedical na teknolohiya. at genetic engineering. Ang pagpasok sa komposisyon ng mga sistema ng gene ng tao at pagtiyak na ang kanilang mahahalagang aktibidad ay posible kapwa sa antas ng somatic (anumang katawan, pagkakaroon ng ilang mga pagkakaiba sa istruktura at functional) na mga selula ng katawan, at sa antas ng kasarian, pagpaparami (germinal) at germinal (embryonic) na mga selula.
Ang genetic engineering bilang isang uri ng therapy - ang paggamot ng isang tiyak na genetically determined disease - ay nauugnay sa pagbibigay ng naaangkop na di-depektong molekula ng DNA upang palitan sa tulong nito ang gene na iyon - isang seksyon ng chromosome na naglalaman ng depekto, o upang isama ito sa genetic material ng tao sa pamamagitan ng pagsasama sa tinatawag na somatic cells ng katawan ng tao na may genetic defect. Ang gawain ng genetic engineering na may kaugnayan sa isang tao ay upang magbigay ng isang naaangkop na naka-target na epekto sa isang tiyak na gene upang maitama ito sa direksyon ng wastong paggana at bigyan ang isang taong nagdurusa sa isang namamana na sakit ng isang normal, hindi nagbabago na bersyon ng gene . Hindi tulad ng therapy sa droga, ang therapy na ito, na tinatawag na genetic engineering, ay malamang na magbibigay sa pasyente ng isang mahaba, matagal, at lubos na epektibong paggamot na nagdudulot ng malaking ginhawa at benepisyo.
Gayunpaman, ang lahat ng modernong paraan ng pagpasok ng DNA sa mga buhay na organismo ay hindi kayang idirekta at ihatid ito sa isang partikular na populasyon ng mga selula na naglalaman ng isang binago at samakatuwid ay hindi gumaganang gene. Sa madaling salita, ang tinatawag na direktang paglipat, ang transportasyon ng mga gene sa ilalim ng mga kondisyon ng katawan (sa modelong "in vivo"), ay kasalukuyang imposible.
Isa pang metodolohikal na diskarte batay sa pagkuha ng isang tiyak na populasyon ng mga cell na naglalaman ng apektadong gene mula sa katawan ng pasyente at pagmamanipula sa genetic na materyal sa pamamagitan ng pagpapalit ng mga may sira na gene sa mga cell gamit ang genetic engineering (sa modelong "in vitro") at ibalik ang mga ito sa parehong lugar sa ang katawan, kung saan sila kinuha mula sa pasyente, ay kasalukuyang posible sa mga kondisyon ng mga medikal na genetic center. Ang pamamaraang ito ng gene therapy sa pamamagitan ng genetic engineering ay ginamit na sa isang eksperimentong pagtatangka na pagalingin ang dalawang pasyente na dumaranas ng isang bihirang genetically determined disease, ang tinatawag na beta thalassemia, na, tulad ng sickle cell anemia, ay sanhi din ng pagkakaroon ng isang abnormal na pagkakaayos at samakatuwid ay hindi gumagana ang protina sa mga pulang selula ng dugo. Ang kakanyahan ng pagmamanipula ay ang tinatawag na mga stem cell ay nakahiwalay mula sa bone marrow ng mga pasyente na ito, sa mga chromosome kung saan ipinakilala ang seksyon ng DNA na responsable para sa paggawa ng normal na protina ng hemoglobin - ang gene. Matapos ang hindi gumaganang mga stem cell na natitira sa bone marrow ng pasyente ay halos ganap na nawasak, ang genetically engineered na mga stem cell ay ipinakilala sa mga pasyente. Sa kasamaang palad, ang dalawang pagtatangka na ito ay klinikal na hindi matagumpay, dahil ang mga pasyente ay namatay. Ang unang kaso ng genetic engineering sa isang setting ng ospital ay hindi pinahintulutan o inaprubahan ng mga nauugnay na komite ng kontrol, at ang mga kalahok nito ay mahigpit na kinondena para sa matinding paglabag sa mga panuntunan para sa pagsasagawa ng pananaliksik sa larangan ng genetika ng tao.
Ang genetic engineering ng reproducing (sex) na mga cell ay maaaring humantong sa ganap na magkakaibang mga kahihinatnan, dahil ang pagpapakilala ng DNA sa mga cell na ito ay naiiba sa pagwawasto ng isang genetic defect sa mga somatic (katawan, hindi kasarian) na mga cell. Ito ay kilala na ang pagpapakilala ng iba pang mga gene sa mga chromosome ng mga cell ng mikrobyo ay humahantong sa kanilang paghahatid sa mga susunod na henerasyon. Sa prinsipyo, maiisip ng isa ang pagdaragdag ng ilang partikular na mga seksyon ng DNA sa halip na mga may sira na mga seksyon sa genetic na materyal ng bawat reproducing cell ng isang partikular na tao na nagdurusa sa isa o isa pang genetically predetermined na sakit.
Sa katunayan, ito ay nakamit sa mga daga. Kaya, ang isang itlog ay nakuha mula sa obaryo ng isang babae, na pagkatapos ay na-fertilize sa isang test tube (in vitro), at pagkatapos ay isang dayuhang bahagi ng DNA ang ipinakilala sa chromosome ng fertilized na itlog. Ang parehong fertilized na itlog na may binagong genome ay itinanim (ipinakilala) sa maternal uterus ng isang babaeng daga. Ang pinagmulan ng dayuhang DNA sa isang eksperimento ay ang genetic na materyal ng isang kuneho, at sa isa pa - isang tao.
Upang matukoy sa panahon ng intrauterine development ng fetus ang posibilidad ng kapanganakan ng isang bata na may ilang mga genetic abnormalities, tulad ng, halimbawa, Down syndrome o Tay-Sachs disease, isang diskarte sa pananaliksik ng tinatawag na amniocentesis ay ginamit - pagsusuri sa prenatal, kung saan ang isang sample ng isang biological fluid na naglalaman ng mga cell ng mikrobyo ay kinuha mula sa amniotic sac sa unang bahagi ng ikalawang trimester ng pagbubuntis. Bilang karagdagan, ang paraan ng pagkuha ng iba't ibang mga selula ng pangsanggol mula sa sample ng dugo ng inunan ng ina ay nakatanggap ng karagdagang pag-unlad. Ang mga selula ng matris na nakuha sa paraang ito ay kasalukuyang magagamit lamang upang makita ang isang limitadong bilang ng mga sakit na tinutukoy ng genetiko kung saan may mga binibigkas, mga malalaking paglabag sa istruktura ng DNA at mga pagbabagong tinutukoy ng mga pagsusuri sa biochemical. Ang genetic engineering gamit ang recombinant DNA sa fetal research ay nagbubukas ng posibilidad ng wastong pag-diagnose ng iba't ibang at maraming namamana na sakit.
Sa kasong ito, ang mga pamamaraan ay binuo upang lumikha ng tinatawag na gene na "probes", gamit ang kung saan posible upang maitaguyod kung mayroong isang normal, hindi nagbabagong gene sa chromosome o isang abnormal, may depektong gene. Bilang karagdagan, ang genetic engineering na nauugnay sa paggamit ng recombinant DNA, na nasa isa sa mga yugto ng pagbuo nito, sa hinaharap ay magbibigay-daan para sa tinatawag na "pagpaplano" ng mga gene ng tao, upang ang isang tiyak na gene na nagdadala ng pangit, pathological na impormasyon at samakatuwid ay interesado para sa mga geneticist, ay maaaring makita sa oras at sapat na mabilis sa pamamagitan ng pagkakatulad sa paraan ng paggamit ng isa pang "may label" na gene. Ang sopistikadong biomedical na pamamaraan na ito ay dapat makatulong sa paghahanap ng anumang gene sa mga selula ng matris, hindi lamang sa mga kung saan ang posibilidad na makakita ng iba't ibang mga karamdaman ay magagawa gamit ang pamamaraan ng amniocentesis.
Kaugnay nito, sa mga nagdaang taon, lumitaw ang mga bagong seksyon ng biomedical science, tulad ng, halimbawa, mga high DNA na teknolohiya, embryonic therapy at cell therapy (cytotherapy), iyon ay, intrauterine diagnosis at paggamot ng isang genetically determined disease tulad ng sa yugto ng pagbuo at pag-unlad ng embryo (embryo), at sa yugto ng pagkahinog ng pangsanggol. Ang mga panghihimasok sa at pagmamanipula ng materyal na embryonic ay may direktang epekto sa pamana ng mga pagbabago sa genetic, dahil mayroon silang kakayahang maipasa mula sa henerasyon hanggang sa henerasyon. Bukod dito, ang genetic diagnosis mismo ay nagsisimulang umunlad sa genetic prediction, iyon ay, sa pagtukoy sa hinaharap na kapalaran ng isang tao, pagsasama-sama ng mga pangunahing rebolusyonaryong pagbabago sa gamot mismo, na, bilang isang resulta ng mga kumplikadong medikal na genetic na mga eksperimento at mga diskarte, ay naging posible bago pa man. ang hitsura ng "klinikal na larawan ng sakit" , kung minsan kahit na bago ang kapanganakan ng isang tao, upang matukoy kung anong mga namamana na karamdaman ang nagbabanta sa kanya. Kaya, salamat sa mga pagsisikap ng mga geneticist at mga espesyalista sa larangan ng genetic engineering, ang tinatawag na "predictive medicine" ay ipinanganak sa kalaliman ng biomedical sciences, iyon ay, gamot na "gumagawa ng mga hula para sa hinaharap."
Kasabay nito, ang iba't ibang mga teknolohiya at pamamaraan ng genetic engineering ay ginagawang posible upang mahulaan kahit na sa prenatal na panahon ng pag-unlad ng isang bata, bago ang kanyang kapanganakan, hindi lamang ang pagkakaroon ng isang tiyak na namamana na sakit sa kanya, ngunit din upang ilarawan nang detalyado ang mga medikal na genetic na katangian ng lumalaking embryo at fetus.
Sa akumulasyon ng mga bagong data sa genetic mapping ng genome ng tao at ang paglalarawan (sequencing) ng DNA nito, at gayundin dahil ang mga binuo modernong pamamaraan para sa pag-aaral ng mga polymorphism ng DNA ay ginagawang posible na gumawa ng magagamit na genetic na impormasyon tungkol sa ilang istruktura at functional (kabilang ang pathological) mga tampok ng katawan ng tao, na, tila, ay magpapakita ng kanilang sarili sa hinaharap, ngunit hindi pa napapansin ngayon, posible na makuha, sa tulong ng mga medikal na genetic diagnostic, ang lahat ng genetic na impormasyon tungkol sa bata, hindi lamang preclinically. , iyon ay, bago ang pagpapakita ng isang tiyak na namamana na sakit, at prenatally, iyon ay, bago ang kanyang kapanganakan, ngunit din preceptively, iyon ay, kahit na bago ang kanyang paglilihi.
Sa nakikinita na hinaharap, salamat sa tagumpay at pag-unlad sa larangan ng medikal na genetic diagnostics, posible, ayon sa mga diagnostic ng DNA, na hatulan nang may kumpiyansa, halimbawa, kung ano ang magiging taas ng isang tao, ang kanyang mga kakayahan sa pag-iisip, predisposition sa ilang mga sakit (sa partikular, sa oncological o mental), tiyak na mapapahamak sa pagpapakita at pag-unlad ng anumang mga namamana na sakit.
Ginagawang posible ng mga modernong biomedical na teknolohiya na makita ang iba't ibang mga karamdaman sa mga gene na maaaring magpakita ng kanilang mga sarili at maging sanhi ng ilang mga karamdaman, hindi lamang sa yugto ng isang klinikal na binibigkas na sakit, kundi pati na rin kapag wala pang mga palatandaan ng patolohiya at ang sakit mismo ay hindi magpapakita mismo. sa lalong madaling panahon. Ang mga halimbawa nito ay maaaring makaapekto sa isang taong lampas sa edad na 40, at kahit na sa 70 taong gulang, Alzheimer's disease at Huntington's chorea. Gayunpaman, kahit na sa mga kasong ito, posible na makita ang mga gene na maaaring magdulot ng mga katulad na sakit sa mga tao, kahit na bago ang paglilihi ng pasyente mismo. Napag-alaman din na ang diabetes mellitus ay maaaring maiuri sa mga naturang sakit. Ang predisposisyon sa sakit na ito at ang genetically na tinutukoy na patolohiya mismo ay minana at maaaring magpakita ng kanilang sarili sa kaso ng hindi pagsunod sa isang tiyak na pamumuhay sa pagtanda o katandaan. Maaari itong sabihin nang may makatwirang katiyakan na kung ang parehong mga magulang o isa sa kanila ay dumaranas ng diyabetis, kung gayon ang posibilidad na magmana ng "diabetes" na gene o isang kumbinasyon ng gayong mga gene ay ipinapasa sa mga bata.
Kasabay nito, posible na magsagawa ng naaangkop na biomedical na pag-aaral at gumawa ng tamang pagsusuri sa pagkakaroon ng microscopically maliit na halaga ng biological na materyal. Minsan ang ilang mga indibidwal na mga cell ay sapat para dito, na ipapalaganap sa isang in vitro culture, at isang "genetic portrait" ng taong pagsubok ay makukuha mula sa kanila, siyempre, hindi para sa lahat ng mga gene ng kanyang genome (mayroong sampu-sampung libo sa kanila!), ngunit para sa kanila kung saan may magandang dahilan upang maghinala ng ilang mga depekto. Ang sabay-sabay na pag-unlad ng mga pamamaraan ng cellular at genetic engineering ay magbibigay-daan sa mga susunod na yugto ng cognition ng genome na matuklasan ang praktikal na posibilidad ng arbitraryo, at, higit sa lahat, para sa mga therapeutic na layunin, upang baguhin ang pagkakasunud-sunod at pagkakasunud-sunod ng mga gene, ang kanilang komposisyon at istraktura.
Ang medisina ay hindi lamang ang larangan ng aplikasyon ng genetic engineering. Makilala ang genetic engineering ng mga halaman, genetic engineering ng bacteriological cells.
Kamakailan, lumitaw ang mga bagong pagkakataon sa pagkuha ng mga "nakakain" na bakuna batay sa mga transgenic na halaman.
Malaking pag-unlad ang nagawa sa mga transgenic na halaman sa mundo. Ang mga ito ay higit na nauugnay sa katotohanan na ang problema sa pagkuha ng isang organismo mula sa isang cell, isang grupo ng mga cell, o isang hindi pa nabubuong embryo sa mga halaman ay hindi na isang malaking bagay. Ang mga teknolohiya ng cell, tissue culture at ang paglikha ng mga regenerated na ahente ay malawakang ginagamit sa modernong agham.
Isaalang-alang ang mga tagumpay sa larangan ng paglaki ng halaman, na nakuha sa Siberian Institute of Physiology at Biochemistry of Plants ng Siberian Branch ng Russian Academy of Sciences.
Kaya, sa mga nakalipas na taon, ilang mga transgenic na halaman ang nakuha sa pamamagitan ng paglilipat ng ugt, acp, acb, accc, at iba pang mga gene na nakahiwalay sa iba't ibang bagay ng halaman sa kanilang genome.
Bilang resulta ng pagpapakilala ng mga gene na ito, lumitaw ang mga transgenic na halaman ng trigo, patatas, kamatis, pipino, toyo, gisantes, rapeseed, strawberry, aspen at ilang iba pa.
Ang pagpapakilala ng mga gene ay isinagawa alinman sa pamamagitan ng "shelling" na mga tisyu na may "gene gun" (ang disenyo nito ay binuo sa aming institute), o sa pamamagitan ng isang genetic vector batay sa isang agrobacterial plasmid na may naka-embed na target na mga gene at kaukulang promoter.
Bilang resulta, maraming bagong transgenic na anyo ang nabuo. Narito ang ilan sa mga ito.
Ang transgenic na trigo (2 varieties), na may mas masinsinang paglaki at pagbubungkal, ay malamang na mas lumalaban sa tagtuyot at iba pang masamang salik sa kapaligiran. Ang pagiging produktibo nito at ang pagmamana ng mga nakuhang ari-arian ay pinag-aaralan.
Transgenic patatas, na na-obserbahan sa loob ng tatlong taon. Ito ay patuloy na nagbubunga ng 50-90 porsyento na mas mataas kaysa sa kontrol, nakakuha ng halos kumpletong pagtutol sa auxin herbicides, at, bilang karagdagan, ang mga tubers nito ay "nagpapaitim" nang mas kaunti sa mga pagbawas dahil sa pagbaba sa aktibidad ng polyphenol oxidase.
Transgenic tomato (ilang mga varieties), na nailalarawan sa pamamagitan ng higit na pagbubungkal at ani. Sa isang greenhouse, ang ani nito ay hanggang sa 46 kg bawat metro kuwadrado (higit sa dalawang beses na mas mataas kaysa sa kontrol).
Ang transgenic cucumber (ilang mga varieties) ay nagbibigay ng mas mayabong na mga bulaklak at, dahil dito, ang mga prutas na may ani na hanggang 21 kg bawat metro kuwadrado kumpara sa 13.7 sa kontrol.
Mayroon ding mga transgenic na anyo ng iba pang mga halaman, na marami sa mga ito ay mayroon ding ilang kapaki-pakinabang na katangiang pang-ekonomiya.
Ang genetic engineering ay ang agham ng ngayon at bukas. Ngayon, sampu-sampung milyong ektarya ang inihahasik ng mga transgenic na halaman sa mundo, ang mga bagong gamot, ang mga bagong producer ng mga kapaki-pakinabang na sangkap ay nilikha. Sa paglipas ng panahon, ang genetic engineering ay magiging mas makapangyarihang kasangkapan para sa mga bagong pagsulong sa medisina, beterinaryo na gamot, pharmacology, industriya ng pagkain, at agrikultura.
5. Mga siyentipikong katotohanan tungkol sa mga panganib ng genetic engineering
Dapat pansinin na kasama ang pag-unlad na dulot ng pag-unlad ng genetic engineering, ang ilang mga katotohanan ng mga panganib ng genetic engineering ay nakikilala, ang pangunahing kung saan ay ipinakita sa ibaba.
1. Ang genetic engineering ay pangunahing naiiba sa pagpaparami ng mga bagong varieties at breed. Ang artipisyal na pagdaragdag ng mga dayuhang gene ay lubos na nakakagambala sa maayos na genetic na kontrol ng isang normal na selula. Ang pagmamanipula ng gene ay sa panimula ay naiiba sa kumbinasyon ng maternal at paternal chromosome na nangyayari sa natural na pagtawid.
2. Sa kasalukuyan, ang genetic engineering ay technically imperfect, dahil hindi nito kayang kontrolin ang proseso ng pagpasok ng bagong gene. Samakatuwid, hindi posibleng hulaan ang lugar ng pagpapasok at ang mga epekto ng idinagdag na gene. Kahit na ang lokasyon ng gene ay maaaring matukoy pagkatapos ng pagpasok nito sa genome, ang magagamit na kaalaman sa DNA ay hindi kumpleto upang mahulaan ang mga resulta.
3. Bilang resulta ng artipisyal na pagdaragdag ng isang dayuhang gene, ang mga mapanganib na sangkap ay maaaring hindi inaasahang mabuo. Sa pinakamasamang kaso, ang mga ito ay maaaring mga nakakalason na substance, allergens, o iba pang hindi malusog na substance. Ang impormasyon tungkol sa ganitong uri ng mga posibilidad ay hindi pa rin kumpleto.
4. Walang ganap na maaasahang paraan ng pagsubok para sa pagiging hindi nakakapinsala. Mahigit sa 10% ng mga seryosong epekto ng mga bagong gamot ay hindi matukoy sa kabila ng maingat na isinasagawang pag-aaral sa kaligtasan. Ang panganib na ang mga mapanganib na katangian ng mga bagong, genetically engineered na pagkain ay hindi mapapansin ay malamang na mas malaki kaysa sa kaso ng mga gamot.
5. Ang kasalukuyang mga kinakailangan para sa pagsubok para sa hindi nakakapinsala ay lubhang hindi sapat. Malinaw na ginawa ang mga ito sa paraang gawing simple ang proseso ng pag-apruba. Pinahihintulutan nila ang paggamit ng mga sobrang insensitive na paraan ng pagsubok para sa pagiging hindi nakakapinsala. Samakatuwid, may malaking panganib na ang mga hindi malusog na pagkain ay maaaring pumasa sa inspeksyon nang hindi natukoy.
6. Ang genetically engineered na pagkain sa ngayon ay walang makabuluhang halaga sa sangkatauhan. Ang mga produktong ito ay pangunahing nagsisilbi sa mga komersyal na interes lamang.
7. Ang kaalaman sa epekto sa kapaligiran ng mga organismo na binago ng genetic engineering at dinala doon ay ganap na hindi sapat. Hindi pa napatunayan na ang mga genetically engineered na organismo ay hindi magkakaroon ng masamang epekto sa kapaligiran. Ang mga ecologist ay nag-isip tungkol sa iba't ibang mga potensyal na komplikasyon sa kapaligiran. Halimbawa, maraming pagkakataon para sa hindi makontrol na pagkalat ng mga potensyal na mapaminsalang gene na ginagamit ng genetic engineering, kabilang ang paglipat ng gene ng bacteria at mga virus. Ang mga komplikasyon na dulot sa kapaligiran ay malamang na hindi na maaayos, dahil ang mga inilabas na gene ay hindi na mababawi.
8. Maaaring lumabas ang mga bago at mapanganib na virus. Ipinakita sa eksperimento na ang mga gene ng mga virus na binuo sa genome ay maaaring pagsamahin sa mga gene ng mga nakakahawang virus (ang tinatawag na recombination). Ang mga bagong virus na ito ay maaaring mas agresibo kaysa sa mga orihinal. Ang mga virus ay maaari ding maging hindi gaanong partikular sa mga species. Halimbawa, ang mga virus ng halaman ay maaaring makapinsala sa mga kapaki-pakinabang na insekto, hayop at tao.
9. Ang kaalaman sa namamana na sangkap, ang DNA, ay hindi kumpleto. 3% lamang ng DNA ang alam na gumagana. Mapanganib na manipulahin ang mga kumplikadong sistema, ang kaalaman tungkol sa kung saan ay hindi kumpleto. Ang malawak na karanasan sa larangan ng biology, ekolohiya at medisina ay nagpapakita na ito ay maaaring magdulot ng malubhang hindi mahuhulaan na mga problema at karamdaman.
10. Hindi malulutas ng genetic engineering ang problema ng gutom sa mundo. Ang pag-aangkin na ang genetic engineering ay maaaring gumawa ng isang makabuluhang kontribusyon sa paglutas ng problema ng kagutuman sa mundo ay isang mitolohiya na walang batayan.
Konklusyon
Ang genetic engineering ay isang biotechnology na pamamaraan na tumatalakay sa pananaliksik sa muling pagsasaayos ng mga genotype. Ang genotype ay hindi lamang isang mekanikal na kabuuan ng mga gene, ngunit isang kumplikadong sistema na binuo sa proseso ng ebolusyon ng mga organismo. Pinapayagan ng genetic engineering, sa pamamagitan ng mga operasyon sa isang test tube, na ilipat ang genetic na impormasyon mula sa isang organismo patungo sa isa pa. Ginagawang posible ng paglipat ng gene na malampasan ang mga hadlang sa interspecies at ilipat ang mga indibidwal na namamanang katangian ng isang organismo patungo sa isa pa.
Ang muling pagsasaayos ng mga genotype, kapag nagsasagawa ng mga gawain ng genetic engineering, ay isang pagbabago sa husay sa mga gene na hindi nauugnay sa mga pagbabago sa istruktura ng mga chromosome na nakikita sa mikroskopyo. Ang mga pagbabago sa mga gene ay pangunahing nauugnay sa pagbabago ng kemikal na istraktura ng DNA. Ang impormasyon tungkol sa istraktura ng isang protina, na nakasulat sa anyo ng isang pagkakasunud-sunod ng mga nucleotides, ay natanto sa anyo ng isang pagkakasunud-sunod ng mga amino acid sa synthesized na molekula ng protina. Ang isang pagbabago sa pagkakasunud-sunod ng nucleotide sa chromosomal DNA, ang pagkawala ng ilan at ang pagsasama ng iba pang mga nucleotides ay nagbabago sa komposisyon ng mga molekula ng RNA na nabuo sa DNA, at ito naman, ay nagiging sanhi ng isang bagong pagkakasunud-sunod ng amino acid sa panahon ng synthesis. Bilang resulta, ang isang bagong protina ay nagsisimulang ma-synthesize sa cell, na humahantong sa paglitaw ng mga bagong katangian sa katawan. Ang kakanyahan ng mga pamamaraan ng genetic engineering ay nakasalalay sa katotohanan na ang mga indibidwal na gene o grupo ng mga gene ay binuo o hindi kasama sa genotype ng isang organismo. Bilang resulta ng pagpasok ng isang dating wala na gene sa genotype, posibleng pilitin ang cell na mag-synthesize ng mga protina na hindi pa nito na-synthesize dati.
Bibliograpiya
2. Lee A., Tinland B. Pagsasama ng t-DNA sa genome ng halaman: prototype at realidad // Plant Physiology. 2000. - Tomo 47. - No. 3.
3. L. A. Lutova, N. A. Provorov, O. N. Tikhodeev, et al., Genetics of Plant Development. - St. Petersburg: Nauka, 2000. - 539 p.
4. Lyadskaya M. Ang genetic engineering ay maaaring gawin ang lahat - kahit na magtanim ng isang bakuna sa hardin // Pharmaceutical Bulletin. - 2000. - No. 7.
5. Romanov G. A. Plant genetic engineering at mga paraan upang malutas ang problema ng biosafety // Plant Physiology, 2000. - Volume 47. - No. 3.
6. Salyaev R. Mga alamat at katotohanan ng genetic engineering // Agham sa Siberia. - 2002. - No. 7.
7. Favorova O. O. Paggamot na may mga gene - pantasya o katotohanan? // Pharmaceutical Bulletin. - 2002. - No. 5.
Kuzmina N.A. Mga Batayan ng biotechnology: aklat-aralin. - Omsk: OGPU, 2001. - 256s.
Lutova L.A., Provorov N.A., Tikhodeev O.N. et al. Genetics ng pag-unlad ng halaman. - St. Petersburg: Nauka, 2000. - 539 p.
Lyadskaya M. Ang genetic engineering ay maaaring gawin ang lahat - kahit na magtanim ng isang bakuna sa hardin // Pharmaceutical Bulletin. - 2000. - No. 7.
Kuzmina N.A. Mga Batayan ng biotechnology: aklat-aralin. - Omsk: OGPU, 2001. - 256s.
Favorova O. O. Paggamot na may mga gene - pantasya o katotohanan? // Pharmaceutical Bulletin. - 2002. - No. 5.
Salyaev R. Mga alamat at katotohanan ng genetic engineering // Agham sa Siberia. - 2002. - No. 7.
Kuzmina N.A. Mga Batayan ng biotechnology: aklat-aralin. - Omsk: OGPU, 2001. - 256s.
