Реферат: Генная инженерия её возможности и перспективы развития

Как раздел молекулярной биологии генная инженерия возникла в 1970-е гг. Её задачи были связанны созданием различных комбинаций генетического материала, способного размножаться (в клетке) и синтезировать конечные продукты. В создании этих комбинаций играют особые ферменты (рестриктазы, ДНК-лигазы). Рассекая молекулу ДНК на фрагменты в строго определенных местах, они соединяют эти фрагменты ДНК в единое целое. Создание искусственных гибридных генетических структур рекомбинантных ДНК стало возможным после выделения таких ферментов. Такая молекула ДНК содержит искусственный гибридный ген (или набор генов) и «вектор-фрагмент» ДНК, обеспечивающий размножение рекомбинированной ДНК и синтез ее конечных продуктов — белков. Все это уже происходит в клетке-хозяине (бактериальной клетке), куда вводится рекомбинированная ДНК. Методами генной инженерии сначала были получены трансгенные микроорганизмы, несущие гены бактерии и гены онко-генного вируса обезьяны, а затем — микроорганизмы, несущие в себе гены мушки дрозофилы, кролика, человека и т.д. Впоследствии удалось осуществить микробный (и недорогой) синтез многих биологически активных веществ, присутствующих в тканях растений и животных в низких концентрациях: интерферона и гормона роста человека, инсулина, вакцины против гепатита, а также клеточных гибридов, синтезирующих антитела желаемой специфичности, ферментов гормональных препаратов, и т.п. Трансгенная биотехнология, занимается конструированием и применением трансгенных организмов. В неразрывной связи с генной инженерией развиваются фундаментальные исследования в молекулярной биологии. Направлениями молекулярной биологии и генной инженерии является изучение геномов растительных и животных видов и разработка способов их реконструкции. В отличие от генотипа геном представляет собой

9

характеристику вида, а не отдельной особи. Геном — это совокупность генов, характерных для гаплоидного, т.е. одинарного набора хромосом данного вида организмов. Исследования ведет молекулярную биологию от выяснения способов воссоздания генома вида к разработке способов воссоздания генотипа особи. Известно что геном человека состоит из 3 млрд нуклеотидов, из них30 млн (около 10% всей хромосомной ДНК) объединены

в 40 тысяч генов. Можно предложить что геном человека — это созданный природой грандиозный текст, состоящий из 3 млрд букв, под которыми подразумеваются молекулы-нуклеотиды — аденин, гуанин, цитозин и тимин. В 2003 г. были выявлены последовательности нуклеотидов в 40 тыс. генов человека. В чём функции остальных 90% нуклеотидов ДНК не вполне понятны, и сейчас они исследуются. Замечено что разница на уровне ДНК между двумя людьми составляет в среднем один нуклеотид на тысячу, наследственные индивидуальные особенности каждого человека они и обусловливают.

Химический синтез ДНК

Информацию, записанную в молекуле ДНК, можно прочитать, разрывая и вновь создавая относительно слабые водородные связи, совсем не затрагивая более прочные связи «сахар-фосфат» в цепочке-матрице. В полимерных молекулах ДНК природа кодирует информацию, необходимую для создания живого организма. Цепочка из повторяющихся сложноэфирных фосфатных связей между сахарами образует жесткий скелет ДНК, на котором информация записывается с помощью особого алфавита из четырех «букв» генетического кода: аденина, тимина, цитозина и гуанина (А, Т, С, G). Последовательность таких «букв» кодирует информацию. Каждая «буква» содержит несколько атомов азота, ковалентно связанных с фрагментами

10

cахаров. Двойная спираль ДНК включает водородные связи. Первый химический синтез гена, потребовал многолетней напряженной работы. В промышленных лабораториях уже синтезированы гены инсулина и интерферона. Произведен синтез гена для фермента рибонуклеозы, открывающей возможность изменять желаемым образом физические и химические свойства белка.

Успехи, возможности, и перспективы в генной инженерии

Генная инженерия открыла перспективы конструирования новых биологических организмов — трансгенных растений и животных с заранее запланированными свойствами. Cамыми современными методами получаются фрагменты генов длиной в сотни пар оснований, а для дальнейших исследований нужны фрагменты в 100 и более. Молекулярная биология позволяет вводить почти любой отрезок ДНК в микроорганизм, чтобы заставить его синтезировать тот белок, который кодирует данная ДНК. А современная органическая химия синтезирует последовательности нуклеотидов – фрагменты генов. Эти фрагменты можно применять для изменения исходной последовательности оснований в гене, кодирующем нужный белок. Например, можно получить модифицированный белок с измененной последовательностью аминокислот, т. е. белок со структурой и функцией, ранее не существовавшими в природе. Такой метод осуществления специфических мутаций в нормальных белках получил название мутагенеза. Он позволяет получить белки любой структуры. Кроме того, один раз синтезированная молекула гена, кодирующего белок, с помощью микроорганизмов может воспроизвести белок в любых количествах. Огромное значение имеет изучение генома человека. Один из самых трудоемких и дорогостоящих в истории науки международных

11

проектов «Геном человека». В рамках этого проекта была поставлена задача выяснить последовательность нуклеотидных оснований во всех молекулах ДНК человека и локализовать их, т.е. полностью картировать все гены человека. Ожидается, что затем исследователи определят все функции генов и разработают технологические способы использования этих данных. В ходе выполнения проекта «Геном человека» разработано много новых методов исследования, большинство из которых в последнее время используется. Это значительно ускоряет и удешевляет расшифровку ДНК, что является важнейшим условием для их широкого использования в медицинской практике, фармакологии, криминалистике и т.д. Среди этих методов есть и такие, которые позволяют расшифровывать генотип отдельного человека и создавать генные портреты людей. По последовательностям ДНК можно устанавливать степень родства людей. Разработан метод «генетической дактилоскопии», который с успехом применяется в криминалистике. Сходные подходы можно использовать в антропологии, палеонтологии, этнографии, археологии. Это дает возможность эффективнее лечить болезни, оценивать способности и возможности человека, выявлять различие между популяциями, оценивать степень приспособленности человека к той или иной экологической обстановке.

Заключение

К настоящему времени известно около 10 тыс. различных заболеваний человека, из которых более 3 тыс. — наследственные. Выявлены мутации, отвечающие за такие заболевания, как гипертония, диабет, некоторые виды слепоты и глухоты, злокачественные опухоли; обнаружены гены,

12

ответственные за одну из форм эпилепсии, гигантизм и др. С недавних пор остро обсуждается вопрос о конфиденциальности генетической информации о конкретных людях. В некоторых странах приняты законы, ограничивающие распространение такой информации. В настоящее время для медицинских целей разрабатываются технологии, позволяющие за одну неделю получить «генетическую карту» человека и записать ее на компакт-диск. Вместе с тем, как говорят специалисты, изучение генома человека прояснило гораздо меньше загадок, чем ожидалось. Удалось только «поставить указатели» для дальнейших исследований. Прочтение генома — это первый этап в понимании его функционирования. Задача следующего — разобраться в том, каковы функции генов, как и какие белки они синтезируют, как функционируют гены по отдельности и как они взаимодействуют между собой; иначе говоря, как работают вместе 3 млрд нуклеотидов. Это, пожалуй, главная проблема биологии XXI в.

Литература

1.Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд. 2-е, – М.: 2004. — 622 с.

2.Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Академический Проект, 2000. – 639 с.

3.Самыгин С.И. Концепции современного естествознания: Ростов н / Д.: Феникс, 2005. – 413с.

4.Садохин А. П. Концепция современного естествознания. – М.: Омега, 2006.

5.Торосян В.Г. Концепция современного естествознания: Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 2003.

13