П л а н
Вступ.
Розділ 1. Генетична інженерія і біотехнології ХХІ
століття.
Розділ 2. Біотехнологічні методи відтворення скота.
Заключення
Список використаних джерел
Вступ
Генетика – теоретична основа племінної справи. З її допомогою
розробляються нові шляхи селекції. До успіхів генетики можна віднести
досягнення хутрового звірівництва, кольорового каракулеводства,
використання генетичних маркерів, біометричних і інших методів
підвищення ефективності селекції.
Генетика відноситься до числа точних, що стрімко розвиваються наук.
Вона включає досить різноманітні розділи зі складною термінологією,
генетичною і математичною номенклатурою, що представляє визначених
труднощів у її засвоєнні.
Основні етапи розвитку генетики. Ще первісна людина помітила, що корова
народжує теля, свиноматка – поросят, із зерен пшениці виростають нові
зерна. Це було її чи не найперше “наукове спостереження” схильності
живих істот передавати свої властивості нащадкам.
Найдавніші правила і розпорядження для відбору худоби і її розведення
майже в незмінному вигляді існували до ХХІ ст. Перша, що надійшла до
нас, теорія спадковості, була розвинута в п’ятому сторіччі до нашої ери
Гіппократом. Згідно з цією теорією нащадки схожі із своїми батьками
тому, що в статевих клітинах знаходяться найдрібніші елементи всіх
частин тіла батька, як здорових, так і хворих. Крім того, Гіппократ
вірив в успадкування набутих ознак.
Менш ніж через 100 років Аристотель довів неспроможність уявлень
Гіппократа. Він запропонував свою теорію, згідно з якою в статевих
клітинах батька знаходяться неготові елементи всіх частин тіла, а схеми,
відповідно до яких “безформенна” кров матері повинна формувати
нащадків. Це геніальне передбачення Аристотеля було забуте майже на 23
сторіччя
У середині ХХІ ст. з появою еволюційного вчення Ч. Дарвіна підвищився
інтерес до проблеми спадковості і мінливості. Деякі значні біологи того
часу висунули кілька гіпотез щодо механізму спадковості. Найбільшу увагу
заслуговують три гіпотези.
Перша гіпотеза – “тимчасова гіпотеза пангенезису”
Друга гіпотеза – “ідіоплазми”
Третя гіпотеза – “зародкової плазми
У 1865р. Г. Мендель сформулював основні закони спадковості, виходячи з
довготривалих дослідів над рослинами гібридами. Проте датою народження
генетики вважають 1900 р. – рік перевідкриття законів Менделя зразу
трьома вченими незалежно один від одного – Г. де Фрізом у Голландії, К.
Корренсом у Німеччині і Е.Чермаком у Австрії.
Визначний генетик М. В. Тимофеев-Ресовський зазначав, що не Г. Менделю
належать окремі відкриття. Він вбачив його велич у тому, що, знаючи і
враховуючи всі ці явища, відкриття, але точно не проаналізовані, він так
поставив свої досліди й опрацював результати, що міг дати точний
кількісний аналіз успадкування і перекомбінування елементарних
спадкових ознак в ряді поколінь. З одержаних таким чином
експериментальних даних він зміг сформулювати ймовірнісно-ствтисичні
комбінаторні закономірності успадкування і побудувати гіпотезу спадкових
факторів і чистоти гамет. У цьому Мендель випередив свій час, став
піонером справжнього впровадження математичного мислення в біологію і
створив основу швидкого і чітко спрямованого розвитку генетики в нашому
віці
За свою коротку історію генетика пройшла декілька етапів розвитку.
Перший етап тривав з 1900 по 1912 р. – період тріумфальної ходи
менделізму, тобто повторення і підтвердження законів Менделя на різних
рослинницьких і тваринницьких об’єктах. У 1906р. цій молодій науці
англійський учений В. Бетсон дав назву “генетика”, а в 1909р. датський
генетик В. Іоганнесен запропонував такі основні терміни і поняття, як
ген, генотип і фенотип.
Другий етап припадає приблизно на 1912 – 1925 рр. І характеризується
створенням і ствердженням хромосомної теорії в експериментальних роботах
американського вченого Т. Меллера на дрозофілі. Основні заслуги Моргана
– другого батька генетики – та його школи полягали у відкритті закону
адитивності – лінійного розміщення генів у хромосомах, явища
кросинговеру і хромосомного механізму визначення статі, розкриття суті
зачепленого успадкування, можливості складання карт хромосом.
Третій етап історії генетики, що припадає на 1925 – 1940 рр., можна
назвати періодом штучного мутагенезу. Про мутації знали ще Ч. Дарвін, Г.
де Фріз, А. Вейсман але вони вважали, що мутації зумовлюються якимись
суто внутрішніми причинами і не залежать від зовнішніх факторів.
Четвертий етап тривав з 1940р. по 1955р. – період вивчення на бактеріях
і вірусах біохімічних і фізіологічних процесів, які є основою
спадковості. О. Евері із співробітниками на основі дослідів Ф. Гриффіта
у 1944р. з’ясував природу трансформації і довів, що носієм спадкової
інформації є ДНК хромосом.
П’ятий етап історії генетики розпочався з 1955р. і характеризувався
дослідженнями генетичних явищ на молекулярному рівні. Г. Маттеі, Ф.
Крік, С. Очова і М. Ніренберг у 1964 р. розшифрували генетичний код. У
1961 р. Ф. Жакоб і Ж. Моно запропонували схему регуляції білкового
синтезу.
Розділ 1. Генетична інженерія і біотехнології ХХІ століття
Генно-інженерні біотехнології визначатимуть розвиток біології у
найближчі десятиліття. Ця теза сьогодні вже ні в кого не викликає
заперечень. Основна ідеологія наукового напряму, в рамках якого
створюються ці “технології ХХІ століття”, полягає у внесенні змін у
генетичний апарат життєвих структур з тим, щоб наділяти їх новими
цінними властивостями. На цьому шляху відкриваються майже необмежені
перспективи. І, оцінивши їх, цивілізований світ робить рішучу ставку на
біотехнології.
Генно-інженерні технології тісно “ контактують” з клітинними і
тканинними технологіями. В їх основі лежить маніпуляція генами. А сама
така маніпуляція і визначає практично все, що ми називаємо генною
інженерією. Адже будь – які ознаки живих організмів – від спадкової
функції до синтезу біологічно активних речовин – визначаються
дезоксирибонуклеїновою кислотою (ДНК), в якій записана інформація про
всі гени. Вважається, що у людини приблизно 100 тис. генів і 30 тис.
білкових молекул. Певна ділянка нуклеїнової кислоти, в який записана
послідовність амінокислотних білків, – це і є ген. Причому генів
приблизно стільки, скільки існує білків. Сукупність усіх генів
називається гномом. Відомо, як функціонують приблизно 20% генома. Що
робить решта 80% – поки ще невідомо.
Найбільше вражає та геніальна простота, яка лежить в основі зберігання і
реалізації генетичної інформації. Однак генетичне кодування тільки
здається простим. Інформаційна ємність ДНК – вражаюча. Біохіміки
підрахували, що кількість різних можливих сполучень названих вище п’яти
азотистих основ у генах людини визначається числом 265, за яким стоїть
2,4 мільярда нулів! Тіло людини приблизно містить10/23степени, клітини.
Образно кажучи, в людському організмі закодовано 27 трильйонів книг.
Якщо всі гени людини розмістити послідовно, в одну нитку, то вона зможе
простягнутися від землі до Сонця 400 разів
Генетична інженерія як галузь науки виникла у 1972 році, коли стало
можливим одержувати будь-які гени тварин, рослин, вірусів та інших
організмів і вводити будь які гени з одного організму – в інший. Просто
так отримати ген і ввести його в той чи інший організм неможливо,
оскільки він буде зруйнований як чужорідна генетична інформація. Тому
для введення генів у клітини рослин, тварин та інших об’єктів
створюються спеціальні генні конструкції. Для цього використовують
віруси рослин і тварин, фаги і плазміди. Плазміди – це кільцеві
структури ДНК, які існують у клітинах бактерій, зокрема кишкової
палички. Недоліки плазмідної технології полягають у тому, що утворений
білковий продукт кристалізується в клітинах кишкової палички. І щоб його
добути, їх треба зруйнувати. Це роблять з допомогою ультразвуку. Причому
приблизно 20% клітин лишаються незруйнованими.
В Інституті молекулярної біології і генетики НАН України розроблена
лямбдофагова технологія. Йдеться про використання вірусу лямбда фага,
який вражає бактерії кишкової палички. Цей фаг має кільцеву структуру. В
нього вшивають ген, продукт якого необхідно отримати, і заражають
клітини кишкової палички. Перевага фагової технології полягає в тому, що
синтезований білок не кристалізуються, а бактеріальні клітини не
доводиться руйнувати, щоб добути синтезований білок. Лямбда фаг разом з
введеним в нього геном розмножується, заповнює весь простір кишкової
палички і, зрештою, руйнує її. Як наслідок – вдається вилучити всі сто
відсотків синтезованого білка. Фагову технологію розробив
член-кореспондент НАН України В. А. Кордюм.
До речі, на основі лямбдофагової технології в Інституті молекулярної
біології і генетики НАН України було отримано інтерферон людини.
Генно-інженерні технології можна використовувати у будь-якій сфері
діяльності. Це сільське господарство, медицина, охорона довкілля,
фармакологічна промисловість. Що ж до маніпулювання з генетичним
матеріалом, то сьогодні це вже вирішене питання. На будь-якому рівні
організації живої природи можна передати гени одного організму іншому.
Це стосується вірусів, рослин, мікроорганізмів, тварин тощо. Організми
яким введено нові гени, називають транс генними. Більше того, можна
об’єднати весь генетичний матеріал з двох клітин в одну. Для цього з
клітини знімають оболонку. Такі клітини без оболонки називаються
протопластами. Вони мають здатність зливатися, при цьому об’єднується
весь генетичний матеріал обох клітин. Після об’єднання утворюється
спільна для протопластів, що злилися, оболонка, і з’являється
клітина-монстр. Уявимо приміром, що одну клітину ми взяли у крокодила, а
другу – в курки і злили їх в одну. Отримана клітина – це монстр, який не
існує в природі, така собі крококурка. Можна з’єднати клітину людини і
клітину моркви. На рівні клітини цей монстр містиме людські гени і гени
моркви. Та слава Богу, що з такого гібрида не виросте тварина, але
клітини будуть ділитися. І що найцікавіше: під час кожного поділу
клітини вилучається частина генетичного матеріалу, частина генів чи
хромосом, які філогенетичні молодощі. У процесі поділу клітина
повертається до початкового стану, в якому вона перебувала до
інженерно-генетичних маніпуляцій. Тобто вона виникає під час поділу те,
що філогенетично молодоще, і, врешті-решт, усе стає на свої місця.
Коли тільки з’явилася можливість працювати з клітинами і генами, то
відразу відкрилися перспективи для одержання певних лікарських
препаратів, скажімо, інсуліну. Це надзвичайно актуально для медицини,
оскільки на діабет хворіє приблизно 10 % населення земної кулі, тобто
0,5млрд. людей. Інсулін традиційно добувається з підшлункової залози
великої рогатої худоби чи свиней. Якщо у майбутньому орієнтуватися
тільки на такий шлях його одержання, то ніяких тварин невистачить для
того, щоб задовольнити потреби в цьому препараті. Можна навести простий
розрахунок: для лікування 750 діабетиків протягом року необхідно забити
23,5 тварини. Це дасть усього лише 450г. інсуліну. А використовуючи
генно-інженерну технологію, таку кількість інсуліну можна одержати з
мікроорганізмів, що інкубуються у дев’яти літровій посудині.
Як це робиться ? Ген інсуліну “вшивається” у плазміди, переноситься у
кишкову паличку і починає в ній працювати, виробляючи інсулін.
Собівартість препарату набагато нижча, ніж застарого способу його
одержання. Отже, вигода застосування тут генно-інженерної технології
очевидна. Можна отримати не тільки бичачий чи свинячий інсулін, а й
людський. Сьогодні це вже роблять. Причому отримувати інсулін дає змогу
як плазмідна технологія, так і фагова.
На базі генно-інженерної технології виник новий напрям – генна терапія.
Суть її полягає у введенні в організм зміст генів, які перестали
працювати чи працюють погано, активних генів. Наприклад, при
захворюванні на діабет вводиться ген інсуліну, аби він працював і
видавав свою продукцію. У дослідах на щурах це дало блискучий ефект.
Щурам робили операцію – у них виділяли підшлункову залозу. Після цього
тварини вже не виробляли інсуліну і були приречені на загибель. Але їм
вводили ген інсуліну. Вони жили і це означало, що конструкція гену
інсуліну працює. Тепер ця конструкція вже передається на передклінічні
та клінічні випробування. Відкрилися також перспективи використання гена
ліпопротеіну високої щільності (ЛВЩ), який продукує ліпопротеїд з такою
ж назвою. Цей ліпопротеїд пов’язаний з таким захворюванням, як інфаркт і
інсульт у ще нестарих людей – приблизно сорокарічного віку. Справа в
тому, що з роками часто накопичується у судинах холестерин. Коли ж в
організмі все гаразд, він виводиться ліпопротеідом високої щільності.
Однак після 40 років у деяких людей “ламаються” гени ліпопротеїду. Цього
“чистильника” судин стає дедалі менше, і тоді може статися інфаркт чи
інсульт. На культурі клітини і на кролях, у яких попередньо викликали
високі концентрації холестерину, було доведено, що введення гена ЛВЩ
забезпечує зниження холестерину і його утримання на нормальному рівні.
Це обнадійліві результати, які дають підстави ставити питання про
проведення передклінічних досліджень.
Можна навести чимало переконливих прикладів того, як працюють генна
терапія і генна технологія у медицині. От, приміром, недавно американці
виділили з фібробластів людини фактор росту. А німецькі дослідники
використали його для лікування закупорювання судин серця. Адже фактор
росту фібробластів сприяє швидкому росту судин. Отже, коли його було
введено в серце через вену і приклеєне до серцевого м’яза, він сприяв
проростанню судин у серцевому м’язі. Це дає змогу уникати такої
операції, як шунтування.
Інший приклад – інтерферон. Це єдиний унікальний препарат, що
використовується для лікування всіх видів вірусних захворювань.
Інтерферону дуже мало у крові людини і тварин. Він з’являється тоді,
коли в організм потрапляє РНК-вмісний вірус. У відповідь на вірусну
інфекцію і починає синтезуватися інтерферон. Саме тоді його можна
виділити з крові. Приблизно з двох літрів крові одержують 1 мкг
інтерферону. А якщо ми маємо ген інтерферону, то за допомогою
генноінженерної технології в культуральному середовищі можна одержати з
клітин кишкової палички набагато більшу концентрацію інтерферону, ніж
та, що виникає у крові людини у відповідь на вірусну інфекцію.
Дуже перспективним є застосування генноінженерної терапії проти
спадкових захворювань людини. Йдеться про хвороби, з якими надзвичайно
важко боротися. Причини багатьох з них ще не вивчені, зрозуміло лише, що
вони пов’язані з спадковими порушеннями якихось генетичних механізмів.
Колись академік НАН України С.М.Гершензон вважав, що винуватиця появи
спадкових захворювань – ДНК, яка входить до складу вакцини. Всі вакцини
містять ДНК. І нині ставиться завдання одержувати чисті від неї вакцини.
Однак з’ясувалося, що ДНК – не єдина винуватиця спадкових захворювань.
Тут діє й чимало інших, мутагенних, факторів, передусім забруднення
навколишнього природного середовища. Адже сьогодні у світі
використовується 85 тисяч хімічних речовин, і далеко не всі вони ін
активуються, багато які потрапляють у повітря, грунт, продукти
харчування тощо.
Застосовуються генно-інженерні технології і для боротьби проти однієї з
найнебезпечніших хвороб століття – раку. У Балтиморі, наприклад,
сконструйовано вірус, який атакує тільки ракові клітини простати. Щоб
зрозуміти значення цього досягнення, досить згадати, що у світі близько
80% чоловіків похилого віку хворіють на простатит.
Одна з найбільших і дуже актуальних проблем сучасної біології – це
розшифрування генетичного коду всіх генів людини. Сьогодні розроблено
Міжнародну програму з цієї проблеми, і генетики світу активно працюють
над її виконанням. Людина має як мінімум 100 тисяч генів. Коли вдається
розшифрувати їхній генетичний код, це стане основою для ліквідації
багатьох спадкових та інфекційних захворювань, від яких щороку вмирають
мільйони людей планети. Це туберкульоз, малярія, холера, гепатит В.
Самостійний напрям генно-інженерних технологій, що має широкий спектр
досліджень, – це маніпуляції з рослинами. Тут генна інженерія досягла
справді видатних результатів і перед нею відкриваються великі
перспективи.
Вже вирощені трансгенні пшениця, кукурудза, соя, картопля, соняшник,
ріпак та інші рослини. Цим рослинам введені гени, які відповідають за
стійкість проти більшості пестицидів, гербіцидів та отрутохімікатів.
Створена і в багатьох країнах споживається стійка проти колорадського
жука транс генна картопля.
Вчені-генетики сьогодні наполегливо працюють над проблемами застосування
генно-інженерних технологій і для очищення забрудненого довкілля.
Генно-інженерним способом одержано псевдомонаси, що вбирають залишки
нафти і фенолів у чотири рази активніше, ніж вихідні бактерії.
Дуже цікавий напрям генно-інженерних досліджень – це фіксація
атмосферного азоту. Адже без азоту рослини не можуть рости з такою
швидкістю. Виявилося, у міжклітинному просторі дикого рису існують
бактерії з родини Клепсієл, які фіксують атмосферний азот і передають
його рослинам. Ці мікроорганізми вдалося виділити. Їх привезли в Україну
і провели експерименти, вводячи їх рослинам, які культивуються у нас. І
ось результат. Культура гречки після введення препарату з цих бактерій
дає врожай 12,3 центнера з гектара, а без препарату – 8 центнерів. Озима
пшениця відповідно 52,4 і 45, ячмінь – 50 і 42, томати – 56,8 і 23
центнери. Вміст білка у зерні збільшується на 7-10%. А рівень нітратів
зменшується у 10-100 разів, радіоактивного цезію – у 2,5 раза. На основі
цих бактерій створено препарат, який сьогодні проходить широкі
випробування. На нього покладають великі надії. Адже відомо, що азотисті
добрива спричиняють утворення нітратів у рослинній продукції, а наш
препарат екологічно чистий.
Актуальний напрям генно-інженерних досліджень – це виробництво продуктів
харчування у сільському господарстві. Вже створено вектори для
дводольних та однодольних рослин, в які можна вводити будь-які гени.
Виведено новий сорт кукурудзи з високим вмістом білка. У Бразилії
генетики працюють над програмою “Суперквасоля”. Передбачається, що
гібрид квасолі та американського Гороха буде вдалим поєднанням цінних
харчових властивостей і забезпечить їжею 500 млн.чоловік у Південній
Америці.
Формуються і зовсім несподівані напрями досліджень. Наприклад, є реальна
перспектива використання нових джерел енергії. Водорості, які містять
70% вуглеводнів, – це фактично повноцінне пальне. Ареал їх поширення –
австралійські озера. Завдання генної інженерії – підвищити вміст
вуглеводнів у цих водоростях.
Ще один цікавий об’єкт – гени фотосинтезу. Йдеться про перетворення
світла на вуглеводень. Тут – безмежне поле досліджень для генетиків.
А от усім нам знайомі світлячки. Виявляється, з їхньою допомогою можна
зробити ліхтарі. У Японії навіть прийнято п’ятирічний план створення
ліхтаря на основі люциферин-люцеферазної реакції. В нього вкладено 1,8
мільярда ієн. Японці збираються виділити гени світлячків, що
відповідають за цю реакцію, і ввести їх у дерева, які з настанням
сутінок світитимуться замість ліхтарів. У такий спосіб можна заощадити
чимало електроенергії.
З використанням клітинної і тканинної біотехнології у багатьох
лабораторіях світу ведуться роботи з метою створення штучних органів.
Завдяки генно-інженерним методам з’явилися форми бактерій, які
вилуговують із збіднених руд залишки урану, він переводиться у розчинний
стан і далі концентрується. Подібні розробки ведуться і в Україні,
зокрема в Інституті колоїдної хімії ті хімії води НАНУ, але не з ураном,
а із золотом. Золото добувається із збіднених руд Мужіївського родовища
у Закарпатті. Бактерії здійснюють селективну гетеро коагуляцію з
частинками золота. Ця розробка зареєстрована як відкриття у 1986 році.
Застосування даної технології дало змогу торік Мужіївській
збагачувальній фабриці одержати десятивідсотковий приріст золота.
Воістину генно-інженерні технології відкривають перед людством небачені
перспективи.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
