БІОТЕХНОЛОГІЯ. ГЕНЕТИЧНА ТА КЛІТИННА ІНЖЕНЕРІЯ

РОЗДІЛ 2. СПАДКОВІСТЬ І МІНЛИВІСТЬ ОРГАНІЗМІВ. ОСНОВИ СЕЛЕКЦІЇ

§22. БІОТЕХНОЛОГІЯ. ГЕНЕТИЧНА ТА КЛІТИННА ІНЖЕНЕРІЯ

Що таке біотехнологія? Біотехнологія – сукупність промислових методів, у яких використовують живі організми або біологічні процеси. Людина з давніх-давен застосовує біотехнологічні процеси для виробництва різних речовин і харчових продуктів (сирів, молочних продуктів, тіста, пива тощо), але сам термін “біотехнологія” (від грец. біос – життя, технос – мистецтво і логос – учення) запровадили лише в 70-х роках

XX століття.

У наш час різні види бактерій і грибів використовують у мікробіологічній промисловості для виробництва антибіотиків, вітамінів, гормонів, ферментів, кормових білків тощо. У харчовій промисловості високопродуктивні штами мікроорганізмів дають змогу збільшити випуск високоякісних продуктів харчування (кисломолочних, сирів, пива), кормів для тварин (силос, кормові дріжджі) тощо.

Біотехнологічні процеси застосовують і для очищення навколишнього середовища, зокрема стічних вод і грунту

від побутового і промислового забруднення. Методи біологічного очищення грунтуються на здатності певних видів бактерій розкладати органічні сполуки, які потрапляють у довкілля. Завдяки селекційній роботі створено штами мікроорганізмів, здатних розкладати ті сполуки, які природні види не можуть мінералізувати. Для очищення стічних вод, природних водойм і грунту застосовують властивості деяких організмів накопичувати органічні та неорганічні сполуки або певні хімічні елементи у своїх клітинах (деякі види бактерій, водоростей, найпростіших).

 БІОТЕХНОЛОГІЯ. ГЕНЕТИЧНА ТА КЛІТИННА ІНЖЕНЕРІЯ

Біотехнологічні процеси враховують і під час розроблення біологічних методів боротьби зі шкідниками сільського і лісового господарств, а також паразитичними і кровосисними видами. Використовуючи штами певних видів мікроорганізмів (бактерій, грибів), виготовляють препарати, які ефективно знижують чисельність шкідливих видів, не забруднюючи при цьому довкілля токсичними сполуками. Необхідною умовою використання біологічних препаратів у біологічному методі боротьби є їхня безпечність для корисних видів організмів.

Останнім часом у розробці біотехнологічних процесів все ширше застосовують методи генетичної і клітинної інженерії, які дають можливість одержати різноманітні сполуки і препарати.

Які завдання генетичної інженерії? Генетична (генна) інженерія – прикладна галузь молекулярної біології, яка розробляє методи перебудови геномів організмів вилученням або введенням окремих генів чи їхніх груп. Генна інженерія здійснює:

– синтез генів поза організмом, видалення з клітин і перебудову окремих генів;

– копіювання і розмноження виділених або синтезованих генів;

– введення генів або їхніх груп у геном інших організмів;

– експериментальне поєднання різних геномів у одній клітині.

Для перенесення синтезованих або виділених генів, крім вірусів, використовують і плазміди (переважно одержані з клітин бактерій). Плазміди – позахромосомні фактори спадковості, найчастіше являють собою кільцеві молекули ДНК прокаріотів (наприклад, генетичний апарат мітохондрій і хлоропластів). Одну з можливих схем перенесення певного гена до клітини бактерії наведено на малюнку 98. З клітин, які містять у своєму геномі певний ген, виділяють молекулу ІРНК, на якій, як на матриці, синтезують комплементарний ланцюг ДНК. Так виникає ДНК-РНК-комплекс, з якого ІРНК вилучають, а на ланцюзі ДНК, що залишився, за принципом комплементарності синтезують другий. Створену таким чином молекулу ДНК вбудовують у молекулу ДНК плазміди, яка слугує переносником. Іншим способом є фрагментація молекули ДНК, яка підлягає перенесенню. Утворені фрагменти молекули ДНК сполучають з молекулою ДНК переносника, яку перед цим переводять у лінійну форму. Крім того, переносять із клітини в клітину еукаріотів метафазні хромосоми. Такі хромосоми звичайно розпадаються на фрагменти, одні з яких втрачаються, а інші вбудовуються у хромосому клітини-хазяїна і там функціонують.

Об’єктами досліджень генетичної інженерії є переважно прокаріоти, хоча вчені працюють і з генами еукаріотів. Наприклад, у геном бактерій було введено гени пацюка і людини, які відповідають за синтез гормону інсуліну, і бактерії почали синтезувати цей гормон. Методами генетичної інженерії одержані білки-інтерферони, які захищають організм людини і тварин від вірусних інфекцій, гормон росту тощо. Щорічно зростає перелік медичних препаратів, одержаних за допомогою методів генетичної інженерії.

Перед генетичною інженерією, незважаючи на її молодість, відкриваються значні перспективи. Крім розв’язання перелічених вище питань, у майбутньому генетична інженерія буде здатна вирішувати і глобальніші завдання. Серед них: видалення дефектних алелей на найранніших етапах індивідуального розвитку і заміна їх нормальними, поєднання в одному геномі генів різних організмів тощо.

Наприклад, перенесення з клітин азотфіксуючих бактерій генів, які відповідають за фіксацію атмосферного азоту, в клітини вищих рослин, значно скоротило б витрати на виробництво і внесення в грунт нітратних добрив.

Результати досліджень генетичної інженерії мають виняткове значення і для теоретичної біології. Завдяки їм зроблено важливі відкриття щодо тонкої будови генів, їхнього функціонування, структури геномів різних організмів. Подальший розвиток генетичної інженерії пов’язаний зі створенням банків генів, тобто колекцій генів різноманітних організмів.

Робота з геномами вищих організмів, крім технічних труднощів, пов’язана і з етичними проблемами. Втручання в генотип хребетних тварин і особливо людини, навіть із найкращими намірами, може спричинити непередбачувані наслідки.

Що таке клітинна (тканинна) інженерія? Клітинна (тканинна) інженерія – галузь біотехнології в якій застосовують методи виділення клітин з організму і перенесення їх на поживні середовища, де вони продовжують жити і розмножуватися. Крім того, клітинна інженерія здійснює гібридизацію соматичних клітин організмів різних видів, родів, родин тощо. Тобто здійснює схрещування організмів, яке неможливо зробити іншим способом (людини і миші, людини і моркви, курки й дріжджів тощо). Гібридизація нестатевих клітин дає змогу створювати препарати, які підвищують стійкість організмів проти різних інфекцій, а також лікують ракові захворювання.

 БІОТЕХНОЛОГІЯ. ГЕНЕТИЧНА ТА КЛІТИННА ІНЖЕНЕРІЯ

Мал. 98. Схема введення гена в молекулу бактеріальної клітини:

1 – фрагмент ДНК, призначений для перенесення;

2 – плазмідна ДНК; 3 – фрагмент ДНК;

4 – розкрита плазміда; 5 – плазміда з введеним фрагментом ДНК;

6 – клітина бактерії; 7 – бактеріальна ДНК; 8 – плазміда;

9 – покоління бактеріальних клітин з плазмідою; 10- штам клітин бактерій з плазмідами

 БІОТЕХНОЛОГІЯ. ГЕНЕТИЧНА ТА КЛІТИННА ІНЖЕНЕРІЯ

Мал. 99. Методика клонування організму шпорцевої жаби:

1 – яйцеклітина з видаленим ядром;

2 – клітини епітелію кишечнику пуголовка;

3 – ядро; 4 – зигота;

5 – пуголовок; 6 – доросла жаба

Наприклад, гібридизацією клітин, здатних виробляти певні антитіла, з раковими одержано гібридні клітини. Найпродуктивніші з цих клітин переносили на поживні середовища і вирощували культури, які виробляли антитіла.

Завдяки вирощуванню нестатевих клітин певних видів організмів на поживному середовищі створюють культуру клітин (тканин) для отримання цінних речовин, що значно знижує собівартість лікарських препаратів (наприклад, препарати лікарської рослини женьшеню). Оскільки нестатеві клітини, як правило, містять усю спадкову інформацію про організм, то існує можливість вирощувати з них значну кількість організмів з однаковими спадковими властивостями.

Перспективним напрямом клітинної інженерії є клонування організмів. Клон (від грец. клон – гілка, нащадок) – сукупність клітин або особин, які виникли від спільного предка нестатевим способом. Отже, клон складається з однорідних у генетичному відношенні клітин або організмів.

При клонуванні з незаплідненої яйцеклітини видаляють ядро і пересаджують у неї ядро нестатевої клітини іншої особини. Таку штучну зиготу пересаджують у матку самки, де зародок і розвивається. Ця методика дає можливість одержувати від цінних за своїми якостями плідників необмежену кількість нащадків, які є їхньою точною генетичною копією. Методом клонування вирощують різні організми (мал. 99).




БІОТЕХНОЛОГІЯ. ГЕНЕТИЧНА ТА КЛІТИННА ІНЖЕНЕРІЯ