РЕФЕРАТ
по биологии
на тему:
«Генная инженерия»
2006 г.
Генетическая инженерия – это прикладная молекулярная и клеточная
генетика, имеющая дело с простейшими генетическими системами и имитирующая in vitro процессы наследственности. Цель ее – создание новых генетических структур, в конечном счете – создание организмов с новыми наследственными свойствами.
Бурное развитие биологии в ХХ столетии характеризуется появлением все новых точек интенсивного роста биологического знания. Сегодня к числу таких точек, безусловно, относится генетическая (или генная) инженерия. Естественно, появление новых ветвей науки (и генетическая инженерия здесь не является исключением) всегда бывает подготовлено предшествующим развитием знания. Возникновение генетической инженерии связано с прогрессом генетики, биохимии, микробиологии и молекулярной биологии. В свою очередь, и сама генетическая инженерия ставит сегодня ряд новых теоретических и экспериментальных проблем перед многими разделами биологической науки. Именно поэтому о ней и можно говорить как об одной из перспективных «точек роста» биологического знания.
Однако проблемы генетической инженерии привлекают сегодня внимание не только специалистов по генетике и молекулярной биологии, но и общественного мнения во многих странах мира. Ее развитие сулит новые, невиданные перспективы в управлении наследственностью организмов, в селекционной работе и в производстве продуктов питания, в микробиологической промышленности, в медицине и фармакологии.
Вполне вероятно, что управление наследственностью принадлежит к числу очень мощных средств воздействия человека на свое окружение и на самого себя. Поэтому здесь особенно важно предвидеть возможные в будущем направления и формы практического использования достижений генной инженерии и их разнообразные последствия. Решение этой задачи требует тесной взаимосвязи биологического исследования с социальным, прежде всего, социально-философским анализом проблем генной инженерии и перспектив ее развития. Следовательно, генетическая инженерия, помимо чисто биологических аспектов, с самого начала своего появления приобретает и весьма существенный социально-философский аспект, особенно важный потому, что дело может касаться наследственности и здоровья человека, а также условий его обитания.
Кроме того, в определенном отношении генетическая инженерия может рассматриваться и как отрасль технической науки.
В течение нескольких тысяч лет, занимаясь окультуриванием растений и одомашниванием животных, люди, сами того не зная, манипулировали их генами. Развитие сельского хозяйства является, стало быть, формой генной инженерии. Точно также выведение различных пород собак представляет собой пример манипуляции генами, влияющими на поведение.
Изменяя среду обитания человека и воздействуя на заболевания, имеющие генетическую природу, мы постоянно и во все большей мере косвенно воздействуем на генетический фонд человека как вида. Лечение и профилактика заболеваний влияют на генетический пул человека, сохраняя вредные гены, которые в отсутствие таких мер были бы элиминированы. Весьма вероятно, например, что из-за широкого применения антибиотиков в двух последних поколениях частота генов, участвующих в формировании предрасположенности к различным инфекциям возрастет. В прежние времена такие гены исчезли вместе со смертью больного. Другой пример: при свободном выборе брачного партнера в брак вступают обычные люди, сходные по интеллектуальному развитию, поэтому распределение генов, влияющих на умственные способности, будет неравномерным: большая часть генов, определяющих высокий уровень интеллекта, окажется сконцентрированной среди потомков одаренных пар. Однако, если люди обсуждают вопрос о манипуляции генами, они обычно имеют в виду нечто совершенно иное, например создание человека по генетической инструкции в лабораторных условиях или что-нибудь не менее причудливое.
Быстрое развитие молекулярной биологии за последние несколько лет привело к многочисленным дискуссиям относительно генной инженерии. Хотя мы еще далеки от возможности изменять гены человека, общественность сильно обеспокоена деятельностью «сумасшедших ученых», «вмешивающихся» в генный пул человека для модификации его свойств. Возможно, однако, что в отдаленном будущем мы будем знать больше о генетике человека и разработаем технологию прямого воздействия на некоторые его признаки. Поэтому важно рассматривать эти вопросы сейчас.
Представляется полезным разделить методы манипуляции генами на две группы: более консервативные, которые используют устоявшиеся биологические принципы и нуждаются лишь в некоторых технических усовершенствованиях, и более революционные методы, связанные с крупными достижениями в области молекулярной биологии.
«Консервативный» подход: гаметический выбор. Главным пропагандистом гаметического выбора был Г. Дж. Мёллер. Он неоднократно говорил о том, что будущие родители не должны полагаться только на собственные зародышевые клетки, а должны свободно выбирать между зародышевыми клетками многих индивидов, отбирая будущий фенотип своих детей на основе знаний о личности и достижениях тех индивидов, от которых берутся зародышевые клетки.
С технической точки зрения это предложение осуществимо уже теперь; сохранение человеческой спермы возможно. Искусственное осеменение хранившейся в специальных условиях спермы в широких масштабах используется при разведении крупного рогатого скота. Возможно у людей искусственное оплодотворение.
Гены в клетках функционируют не все одновременно – часть генов находится в активном (функциональном) состоянии, а часть – в репрессированном состоянии. В каждой дифференцированной клетке в активном состоянии находятся только те гены, которые определяют ее специфическую структуру и функцию. В разных типах клеток в активном состоянии находятся разные участки генома (разные гены), причем эти участки генома по своей относительной величине невелики – в каждый момент времени большая часть генов в клетке находится в репрессированном состоянии. В клетках имеется специальный механизм регуляции функции генов, в котором определенные участки генома представлены регуляторными генами. В регуляторной части генома закодирована программа индивидуаль
Решение такой задачи средствами генетической инженерии подразделяется на три этапа:
получение генетического материала (генов);
введение генетического материала в изменяемый организм;
включение внесенных генов в генетический аппарат клетки, закрепление их в ней.
1. Получение генетического материала. Желательный генетический
материал (ген или группа генов) может быть получен путем его выделения из генома клеток, используемых в качестве доноров, или же путем синтеза. Синтез соответствующих образцов ДНК может быть осуществлен химическим путем или с помощью матричной РНК и специального фермента, называемого обратной транскриптазой, или ревертазой.
К сожалению, полученные как путем химического, так и путем матричного синтеза гены пока еще не обладают способностью функционировать. Удается воспроизвести только структурную часть генов, которая несет информацию для синтеза белка, а регуляторная часть отсутствует. Нам предстоит еще научиться получать функционирующий ген, включающий обе части – как структурную, так и регуляторную.
В геном человека можно включить искусственно синтезированные гены. Синтез генов in vitro представляет собой одну из самых захватывающих страниц в истории молекулярной биологии. До недавних пор создание искусственного гена химическими методами было очень трудными делом. В настоящее время синтез искусственных олигонуклеотидов вполне обычен.
2. Введение (перенос) генетического материала. Теперь рассмотрим главные методы введения в клетку генетического материала (генов). Для этой цели могут быть использованы по крайней мере три пути:
трансформация, т.е. перенос генетической информации посредством препаратов ДНК, свободных от примесей, с последующим замещением фрагментами экзогенной ДНК гомологичных участков генома в клетке – реципиенте, т.е. ДНК проникает в клетку и встраивается в генетический материал;
трансдукция, т.е. перенос генетического материала (генов) посредством вирусов. Эксперименты по трансформации бактерий сыграли важную роль в истории генетики: с их помощью установили, что именно ДНК является генетически активным материалом;
гибридизация соматических клеток и конъюгация у микроорганизмов (у простейших).
3. Введение гибридной молекулы в бактериальную или животную клетку, молекулярная селекция (клонирование) и умножение (репликация) гибридных молекул. Способ введения гибридной молекулы в клетку зависит от свойств вектора. До последнего времени введение ДНК в клетки E. coli, этого обычного объекта генетических экспериментов, не удавалось. И только недавно была найдена подходящая система. Для этого были использованы некоторые мутанты E. coli и применялась обработка культур кишечной палочки раствором хлористого кальция при 0 – 10°, иногда с тепловым шоком.
Генетическая инженерия сулит новые, порой граничащие с фантастикой возможности нашего вмешательства в наследственность, открывает перспективы более эффективного решения некоторых практических вопросов медицины и сельского хозяйства. В частности, станет возможным получение рекомбинантных генотипов для целей селекции не путем скрещивания растений и животных, а с помощью хирургических приемов – пересадки генов или слияния протопластов у растений. С развитием этих методов могут быть значительно ускорены начальные этапы селекции, устранены многие нежелательные побочные явления, свойственные простому скрещиванию организмов.
Разработка методов получения генетических копий (клонов) сельскохозяйственных животных, в том числе крупного рогатого скота, путем пересадки ядер соматических клеток в яйцеклетки, лишенные ядер, может, по всей видимости, привести к существенному улучшению методов племенной работы.
В принципе возможен перенос генов из микроорганизмов в растения для придания последним новых ценных свойств, например, способности фиксировать атмосферный азот. Еще более актуальны задачи переноса генов высших растений в микроорганизмы для создания принципиально новых продуцентов, способных обеспечить медицину, сельское хозяйство, пищевую и легкую промышленность продуктами, в настоящее время получаемыми только в сельскохозяйственном производстве.
В настоящее время предпринимаются попытки сконструировать карту генома человека. Несколько сотен маркеров на ДНК, равномерно распределенных по всем хромосомам, - это «вехи», необходимые для диагностики моногенных заболеваний, которые могут помочь определить вклад специфических генов в развитие мультифакториальных заболеваний.
Исследуются и возможности использования ДНК для лечения наследственных заболеваний. В настоящее время усилия в этой области направлены на встраивание ДНК нормальных генов в соматические клетки, такие, как клетки костного мозга (генная терапия). В последние годы осуществляются эксперименты in vitro и на животных, где в качестве векторов для введения генов используются ретровирусы. До весны 1985 года такие исследования на людях не проводились.
Методы генной инженерии позволяют использовать E. coli в качестве фабрик для производства продуктов функционирования генов человека, например, для производства инсулина и гормона роста. Вероятно, в недалеком будущем это даст возможность успешно и недорого лечить диабет, возникающий при недостатке инсулина в организме, и карликовость, являющуюся следствием недостатка гормона роста.
Развитие исследований по генетической инженерии обещает открыть принципиально новые методы борьбы с раком – методы генетического контроля злокачественных наследственных изменений в соматических клетках, а также вооружить человека новыми средствами в борьбе за долголетие. Таковы лишь некоторые из возможностей, открываемых генетической инженерией.
Список литературы:
«Генетика человека». Фогель Ф., Мотульски А. в 3-х томах,
1989-1990 гг.
2) «Генетическая инженерия» (реальность, перспективы). Сборник. М.,
«Знание», 1978 г. (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Биология»).