Реферат: Генная и клеточная инженерия. Биотехнологии

Технология рекомбинантных ДНК сделала возможным нетрадиционный подход "белок-ген", получивший название "обратная генетика". При таком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный ген, кодирующий измененную форму белка. Полученный ген вводят в клетку. Если он экспрессируется, несущая его клетка и ее потомки будут синтезировать измененный белок. Таким образом можно исправлять дефектные гены и лечить наследственные заболевания.[1]

Если гибридную ДНК ввести в оплодотворенное яйцеклетку, могут быть получены трансгенные организмы, экспрессирующие мутантный ген и передающие его потомками. Генетическая трансформация животных позволяет установить роль отдельных генов и их белковых продуктов как в регуляции активности других генов, так и при различных патологических процессах. С помощью генетической инженерии созданы линии животных, устойчивых к вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными для человека признаками. Например, микроинъекция рекомбинантной ДНК, содержавшей ген соматотропина быка в зиготу кролика позволила получить трансгенное животное с гиперпродукцией этого гормона. Полученные животные обладали ярко выраженной акромегалией.

3. Направления генной инженерии.

3. 1 Сельское хозяйство.

Генная инженерия непосредственно в сельском хозяйстве имела место быть уже в конце 1980-х годов, когда удалось успешно внедрить новые гены в десятки видов растений и животных — создать растения табака со светящимися листьями, томаты, легко переносящие заморозки, кукурузу, устойчивую к воздействию пестицидов.

Одна из важных задач генной инженерии - получение растений, устойчивых к вирусам, так как в настоящее время не существует других способов борьбы с вирусными инфекциями сельскохозяйственных культур. Введение в растительные клетки генов белка оболочки вируса, делает растения устойчивыми к данному вирусу. В настоящее время получены трансгенные растения, способные противостоять воздействию более десятка различных вирусных инфекций.

Другая важная задача генетической инженерии связана с защитой растений от насекомых-вредителей. Применение инсектицидов не всегда является эффективным в связи с их токсичностью и возможностью смыва инсектицидов с растений дождевой водой. В генно-инженерных лабораториях Бельгии и США были успешно проведены работы по внедрению в растительную клетку генов земляной бактерии Bacillus thuringiensis, которые позволяют синтезировать инсектициды бактериального происхождения. Эти гены были введены в клетки картофеля, томатов и хлопчатника, вследствие чего трансгенные растения картофеля и томатов стали устойчивы к колорадскому жуку, растения хлопчатника оказались устойчивыми к разным насекомым, в том числе и к хлопковой совке. Применение генной инженерии в сельском хозяйстве позволило сократить использование инсектицидов на 40 - 60%. Генными инженерами были выведены трансгенные растения с удлиненным сроком созревания плодов. Это дает возможность снимать такие помидоры с куста красными с уверенностью, что они не перезреют при транспортировке.

Список растений, к которым успешно применены методы генной инженерии, пополняется. В него входят яблоня, виноград, слива, капуста, баклажаны, огурцы, пшеница, рис, соя, рожь и множество других сельскохозяйственных культур.

Одним из основных направлений, в котором применяются технологии генной инженерии, является сельское хозяйство. Классическим уже методом улучшения качества продуктов сельского хозяйства является селекция – процесс, в котором путем искусственного отбора выделяются и скрещиваются отдельные растения или животные, обладающие определенными свойствами, для наследственной передачи этих свойств и их усиления[2]. Этот процесс достаточно продолжительный и не всегда действительно результативный. Генная инженерия обладает способностью наделить какой-то живой организм свойствами, ему нехарактерными, усилить проявление каких-то существующих свойств или исключить их. Это происходит за счет внедрения новых или исключения старых генов из ДНК организма.

К примеру, таким образом был выведен особый сорт картофеля, устойчивого к колорадскому жуку. Для этого в геном картофеля был введен ген почвенной тюрингской бациллы Bacillus thuringiensis, которая вырабатывает особый белок, губительный для колорадского жука, но безвредный для человека[3]. Применение генной инженерии для изменения свойств растений, как правило, делается как раз для повышения их устойчивости перед вредителями, неблагоприятными условиями среды, улучшения их вкусовых и ростовых качеств. Вмешательство в геном животных используется для ускорения их роста и повышения продуктивности. В продуктах сельского хозяйства таким образом также искусственно повышается количество незаменимых аминокислот и витаминов, а также их питательная ценность.

Количество аргументов за использование ГМП значительно превосходит возможные аргументы против. Так, сторонники ГМП ссылаются в частности на высокий уровень контроля качества всех генетически модифицированных продуктов (ГМП). За двадцатилетнюю историю использования этих продуктов в разных странах мира не было выявлено ни одного факта их отрицательного воздействия на здоровье человека, что нельзя сказать о продуктах традиционного сельского хозяйства, в котором неизбежно применение разного рода удобрений, многие из которых признаны вредными для человека. Более того, селекция, которая используется в сельском хозяйстве на протяжении веков, по сути, преследует целью ту же генную модификацию организмов, только осуществляет это за значительно больший период времени. Генная инженерия просто способна привнести необходимые изменения в организм за короткий срок, а потому использование ГМП не опаснее, чем использование любых других продуктов, выведенных методом классической селекции.

Противники использования генной инженерии в сельском хозяйстве апеллируют к недостаточности исследований безопасности ГМП (однако этот вопрос постоянно продолжает исследоваться), а также к тому факту, что ГМО иногда становятся причиной исчезновения отдельных видов. К примеру, одичавшие генетически модифицированные организмы могут вытеснить популяции диких видов за счет большей приспособленности к неблагоприятным условиям окружающей среды.

3.2. Фармацевтика и медицина.

Производство и применение вакцин против вирусных заболеваний позволили медиками ликвидировать полностью эпидемии чумы и оспы, от которых раньше умирали миллионы людей. Метод генной инженерии, в отличие от других методов, позволяет получить абсолютно безвредную (не содержащую инфекционного начала) вакцину. Ведутся также работы по производству вакцин от гриппа, гепатита и других вирусных заболеваний человека.

Услугами генной инженерии особенно успешно пользуются фармацевты, для которых этот метод дает сравнительно дешевые, но жизненно необходимые гормоны, такие как инсулин, интерферон, гормоны роста и другие, имеющие белковую природу. По заказу фармацевтов генными инженерами налажено производство человеческого гормона инсулина (вместо ранее применяемого животного инсулина), играющего важную роль в борьбе с сахарным диабетом. Методом генной инженерии получают также достаточно дешевый и чистый человеческий интерферон — белок, обладающий универсальным антивирусным действием, антиген вируса гепатита В.

В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин. Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока. Для получения 100 г кристаллического инсулина требуется 800-1000 кг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200 - 250 грамм. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков. В 1978 году исследователи из компании "Генентек" впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки. Инсулин состоит из двух полипептидных цепей А и В длиной 20 и 30 аминокислот. При соединении их дисульфидными связями образуется нативный двухцепочечный инсулин. Было показано, что он не содержит белков E. coli, эндотоксинов и других примесей, не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него не отличается. Впоследствии в клетках E. coli был осуществлен синтез проинсулина, для чего на матрице РНК с помощью обратной транскриптазы синтезировали ее ДНК-копию. После очистки полученного проинсулина его расщепили и получили нативный инсулин, при этом этапы экстракции и выделения гормона были сведены к минимуму. Из 1000 литров культуральной жидкости можно получать до 200 граммов гормона, что эквивалентно количеству инсулина, выделяемого из 1600 кг поджелудочной железы свиньи или коровы.

Соматотропин - гормон роста человека, секретируемый гипофизом. Недостаток этого гормона приводит к гипофизарной карликовости. Если вводить соматотропин в дозах 10 мг на кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его недостатка, может подрасти на 6 см. Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4 - 6 мг соматотропина в пересчете на конечный фармацевтический препарат. Таким образом, доступные количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим способом, был неоднороден и мог содержать медленно развивающиеся вирусы. Компания "Genentec" в 1980 году разработала технологию производства соматотропина с помощью бактерий, который был лишен перечисленных недостатков. В 1982 году гормон роста человека был получен в культуре E. coli и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР. При производстве интерферона используют как E. coli, S. cerevisae (дрожжи), так и культуру фибробластов или трансформированных лейкоцитов. Аналогичными методами получают также безопасные и дешевые вакцины.

Практическое применение. Теперь умеют уже синтезировать гены, и с помощью таких синтезированных генов, введенных в бактерии, получают ряд веществ, в частности гормоны и интерферон. Их производство составило важную отрасль биотехнологии. Интерферон - белок, синтезируемый организмом в ответ на вирусную инфекцию, изучают сейчас как возможное средство лечения рака и СПИДа. Понадобились бы тысячи литров крови человека, чтобы получить такое количество интерферона, какое дает всего один литр бактериальной культуры. Ясно, что выигрыш от массового производства этого вещества очень велик. Очень важную роль играет также получаемый на основе микробиологического синтеза инсулин, необходимый для лечения диабета. Методами генной инженерии удалось создать и ряд вакцин, которые испытываются сейчас для проверки их эффективности против вызывающего СПИД вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). С помощью рекомбинантной ДНК получают в достаточных количествах и человеческий гормон роста, единственное средство лечения редкой детской болезни - гипофизарной карликовости. Еще одно перспективное направление в медицине, связанное с рекомбинантной ДНК, - т.н. генная терапия. В этих работах, которые пока еще не вышли из экспериментальной стадии, в организм для борьбы с опухолью вводится сконструированная по методу генной инженерии копия гена, кодирующего мощный противоопухолевый фермент. Генную терапию начали применять также для борьбы с наследственными нарушениями в иммунной системе. В сельском хозяйстве удалось генетически изменить десятки продовольственных и кормовых культур. В животноводстве использование гормона роста, полученного биотехнологическим путем, позволило повысить удои молока; с помощью генетически измененного вируса создана вакцина против герпеса у свиней.

4. Клонирование.

Основой для возникновения одного из самых перспективных биомедицинских направлений в заместительной клеточной терапии — терапевтического клонирования явились два важнейших открытия конца XX века. Это, во-первых, создание клонированной овечки Долли [1], во-вторых, получение эмбриональных стволовых клеток (ЭСК).

Клонирование – это воспроизведение живого существа его неполовых (соматических) клеток. Клонирование органов и ней – важнейшая задача в области трансплантологии, травматологии и других областях медицины и биологии. При пересадке клонированных органов не возникают реакции отторжения и отсутствуют возможные неблагоприятные последствия (например, рак, развивающийся на фоне иммунодефицита). Клонированные органы – это спасение для людей, попавших в автомобильные аварии или иные катастрофы, а также нуждающихся в радикальной помощи вследствие каких-либо заболеваний. Клонирование может дать бездетным людям возможно, иметь своих собственных детей, помочь людям, страдающим тяжелыми генетическими заболеваниями. Так, если гены, определяющие какое-либо наследственное заболевание, содержатся в хромосомах то в яйцеклетку матери пересаживается ядро ее собственной соматической клетки, тогда появится ребенок, лишенный опасных генов, копия матери. Если эти гены содержатся в хромосомах матери, в ее яйцеклетку будет перемещено ядро соматической клетки отца и появится здоровый ребенок, копия отца. Дальнейший прогресс человечества во многом связан с развитием биотехнологии. Вместе с тем необходимо учитывать, что неконтролируемое распространение генно-инженерных живых организмов и продуктов может нарушить биологический баланс в природе и представлять угрозу здоровью человека.

Клонирование целого организма называется репродуктивным. В этом направлении до сих пор ведутся исследования, однако есть и определенные успехи.

Широко известен случай клонирования в Великобритании овцы Долли[4]. Этот эксперимент по клонированию млекопитающего был поставлен группой ученых, возглавляемой Яном Вилмутом. Тогда в 277 яйцеклеток были перенесены ядра, взятые из вымени животного-донора. Из них образовалось 29 эмбрионов, один из которых выжил. Долли родилась 5 июля 1996 года и стала первым млекопитающим, чье клонирование прошло успешно. Клонированное животное прожило 6,5 лет и умерло 14 февраля 2003 от прогрессирующего заболевания лёгких, вызванного ретровирусом. Сообщается, что это распространенное заболевание у овец, которые содержатся в закрытом помещении, а Долли из соображений безопасности практически не выводили пастись.

Существуют некоторые заблуждения в представлениях о клонировании. Так клонирование человека или животного однозначно не способно повторить сознание. Клонированный индивид не будет наделен разумом исходного организма, он будет нуждаться в воспитании, образовании и т.д. Более того, спорным является и вопрос полной внешней идентичности клона. Как правило, клон не является полной копией оригинала, т.к. при клонировании копируется только генотип, что не означает однозначное повторение фенотипа организма. Фенотип формируется на основе определенных генетических данных[5], однако условия, в которых будет выращиваться клон, способны некоторым образом повлиять на его развитие: рост, вес, телосложение, некоторые особенности умственного развития.

В большинстве стран мира любые работы по репродуктивному клонированию человека запрещены[6]. Такое клонирование человека встречается с еще большими этическими, религиозными и юридическими проблемами, чем терапевтическое. В принципе, определенного мнения общественности на этот счет не существует, ровно как и крупнейшие мировые религии не способны дать этому явлению однозначную оценку, ибо это выходит за рамки их классических учений, а потому требует аргументации. Появляются также некоторые юридические сложности, вроде вопросов отцовства, материнства, наследования, брака и некоторых других. Развитие клонирования небезопасно также и из соображений контроля над ним, а также возможной утечки технологии в криминальные и террористические круги. Отдельную обеспокоенность вызывает высокий процент неудач при клонировании, что являет опасность появления людей-уродов.

4.1 Состояние исследований по терапевтическому клонированию в России.

Несмотря на бум по поводу больших возможностей ЭСК в лечении различных заболеваний, работы по терапевтическому клонированию в России пока практически не ведутся. В первую очередь это объясняется отсутствием законодательной базы для проведения исследований с использованием овоцитов и эмбрионов человека. С принятием таких законов для России существует реальная возможность очень быстрого развития терапевтического клонирования. В нашей стране имеются эффективные клеточные технологии получения реконструированных эмбрионов методом трансплантации ядер. По-существу, основы современных технологий переноса ядер соматических клеток, сочетающие микрохирургию и электрослияние были разработаны впервые у нас в 80-х годах прошлого столетия [51]. Также имеются эффективные технологии получения линий человеческих ЭСК [52].

Реализовывать задачи терапевтического клонирования возможно на основе центров репродукции, которые помимо их прямого предназначения, могут стать цент­рами по получению линий ЭСК, в первую очередь, не­посредственно для женщин — пациенток данного центра и любых членов их семей. Можно ожидать, что с развитием терапевтических технологий получение соб­ственных ЭСК станет доступно каждому человеку. Не­обходимо осуществлять тесное сотрудничество центров репродукции с соответствующими научно-исследовательскими лабораториями, ориентированными на решение фундаментальных проблем и на разработку новых технологий. К подобным технологиям можно отнести реконструкцию эмбрионов с применением неинвазивных оптико-лазерных приемов микроманипулирования в целях терапевтического клонирования

5. Проблемы генной инженерии.

Генная инженерия – это абсолютно новая технология, разрушающая фундаментальные генетические барьеры не только между видами, но и между людьми, животными и растениями. Объединяя гены непохожих и не состоящих в родстве видов, навсегда изменяя их генетические коды, создаются новые организмы, которые будут передавать генетические изменения своим потомкам по наследству. Сегодня ученые способны вырезать, вставлять, рекомбинировать, трансформировать, редактировать и программировать генетический материал. Животные и даже человеческие гены добавляются растениям или животным, порождая невообразимые трансгенные жизненные формы. В первый раз в истории человеческие существа стали архитекторами жизни. Биоинженеры смогут создать десятки тысяч новых организмов в течение нескольких ближайших лет. Перспективы устрашающие. Генная инженерия поднимает беспрецедентные этические и социальные вопросы, а также ставит под угрозу благополучие окружающей среды, здоровья людей и животных и будущее сельского хозяйства. Далее описываются лишь некоторые из проблем, связанных с генной инженерией:

Генетически измененные организмы, которые сбегут или будут выпущены из лаборатории, могут вызвать разрушение окружающей среды. Генетически созданные «биологические загрязнители» потенциально могут быть более деструктивными, чем даже химические загрязняющие вещества. Поскольку они живые, генетически измененные продукты по своему существу более непредсказуемы, чем химические, – они могут размножаться, мигрировать и мутировать. Стоит однажды выпустить эти генетически измененные организмы в среду, их уже будет практически невозможно вернуть обратно в лабораторию. Многие ученые предупреждают, что выпуск таких организмов во внешнюю среду может привести к необратимым разрушительным последствиям для экологии.

Генетические изменения, вероятно, приведут к непредвиденным результатам и опасным сюрпризам. Биотехнология – это неточная наука, и ученые никогда не смогут гарантировать успех на 100 процентов. В практике случались серьезные случаи. Исследователи, проводившие эксперименты в университете штата Мичиган, недавно выяснили, что генетически измененные растения, устойчивые перед вирусами, могут вызывать мутацию вирусов в новые более опасные формы или формы, которые способны атаковать другие виды растений. Иные устрашающие сценарии: инородные гены генетически измененных растений могут быть перенесены вместе с пыльцой, насекомыми, ветром или дождем на другие культуры, а также дикие и сорные растения. Может случиться беда, если свойства генетически измененных культур, такие как устойчивость перед вирусами или насекомыми, получат сорняки, например. Генетически измененные растения способны производить токсины и другие вещества, которые могут нанести вред птицам и другим животным. Генная инженерия растений и животных практически определенно подвергнет опасности виды и уменьшит биологическое разнообразие. В силу своих «превосходных» генов, некоторые из ГИ растений и животных неизбежно выйдут из-под контроля, покоряя дикие виды. Так уже происходило при ввозе в страну экзотических видов, например, в Северной Америке возникали проблемы с голландской болезнью вязов и пуерарией вьющейся. Что случится с дикими видами, например, когда ученые выпустят в среду карпа, лосося или форель в два раза большую и съедающую в два раза больше еды, чем ее дикие сородичи? Другая опасность лежит в создании новых видов сельскохозяйственных культур и домашних животных. После того, как ученые создадут то, что будет названо «идеальным помидором» или «идеальной курицей», их начнут воспроизводить в больших количествах; «менее желательные» виды будут оставлены у обочины. «Идеальные» животные и растения будут затем клонированы (воспроизведены как точные генетические копии), еще больше сокращая базу доступных генов на планете.

Генетически измененные растения, устойчивые к гербицидам, приведут к повышению использования химикатов в сельском хозяйстве и к еще большему загрязнению окружающей среды. Биотехнические компании любят говорить, что генная инженерия положит конец использованию опасных химических веществ в сельском хозяйстве. Но лидерами в области биотехнологий являются гигантские химические компании, такие как «Monsanto», «Du Pont» и «Rhone-Ponlenc», которые не заинтересованы в том, чтобы терять прибыль от продажи химикатов. Эти компании создали ГИ-растения, устойчивые к гербицидам, производимым ими, что позволило им продавать больше удобрений фермерам, которые, в свою очередь, могут применять больше ядовитых гербицидов к сельскохозяйственным культурам для уничтожения сорняков. Даже культуры, измененные для создания собственных пестицидов, представляют собой опасность. В конечном счете, разовьются устойчивые паразиты, и тогда более сильные химические вещества будут необходимы для избавления от них. А что случится, если ген пестицида распространится на сорняки и другие нежелательные растения?

Генетическое изменение сельскохозяйственных культур и животных может спровоцировать развитие токсических и аллергических реакций у людей. Человек, имеющий аллергию на орехи или моллюски, например, не будет иметь возможности узнать, не был ли помидор или другой продукт изменен с добавлением белков продуктов-аллергенов, а потому потребление данных ГИ продуктов может привести к фатальным последствиям. Кроме того, генные инженеры могут взять белок бактерии, найденной в почве, океане – где угодно – и добавить его в человеческую еду. Такие вещества никогда не добавлялись в пищу ранее, поэтому сведений об их токсичности и аллергенности нет.

Известны случаи, когда генетически измененные продукты приносили вред людям. В 1989 и 1990 годах генетически созданный Л-триптофан, распространенная пищевая добавка, убил более 30 американцев и надолго вывел из строя более 5000 человек, поразив потенциально смертельным и болезненным заболеванием крови, синдромом эозинофилии-миалгии, прежде чем был запрещен. Производитель «Showa Denko K.K.», третья по величине в Японии химическая компания, использовала генетически измененную бактерию для создания этой добавки, продававшейся без рецепта. Считается, что бактерия как-то была заражена в процессе рекомбинации ДНК. На продуктах не ставится указаний о том, что он был генетически изменен. Патентование ГИ-продуктов и широкое распространение производства продуктов биотехнологий уничтожит фермерство, каким оно известно с древнейших времен. Если эту тенденцию не остановить, патентование трансгенных растений и животных мясо-молочной отрасли вскоре приведет к развитию земледелия на основе аренды, когда фермеры будут брать в аренду растения и животных у биотехнологических конгломератов и платить за семена и потомство. В конечном счете, в течение следующих нескольких десятилетий, сельское хозяйство будет стерто с лица земли и перейдет под контроль промышленных фабрик биосинтеза, контролируемых химическими и биотехнологическими компаниями. Никогда больше люди не насладятся натуральными свежими продуктами. Сотни миллионов фермеров и других работников по всему миру потеряют свои заработки. Устойчивая сельскохозяйственная система будет разрушена.