Mit csinál a géntechnológia? Géntechnológia - ellenség vagy barát

Géntechnológia

Anyag a Wikipédiából - a szabad enciklopédiából

A génsebészet technikák, módszerek és technológiák összessége rekombináns RNS és DNS kinyerésére, gének izolálására egy szervezetből (sejtekből), gének manipulálására és más organizmusokba való bejuttatására.

A génsebészet nem a tág értelemben vett tudomány, hanem a biotechnológia eszköze, amely olyan biológiai tudományok kutatásait használja fel, mint a molekuláris és sejtbiológia, citológia, genetika, mikrobiológia, virológia.

1 Gazdasági jelentősége

2 Fejlődéstörténet és elért technológiai szint

3 Alkalmazások a tudományos kutatásban

4 Humán géntechnológia

5 Jegyzetek

7 Irodalom

Gazdasági jelentősége

A géntechnológia a módosított vagy géntechnológiával módosított szervezet kívánt tulajdonságainak elérését szolgálja. Ellentétben a hagyományos szelekcióval, amely során a genotípus csak közvetve változik, a génsebészet lehetővé teszi a közvetlen beavatkozást a genetikai apparátusba a molekuláris klónozás technikájával. A génsebészet alkalmazásai példái közé tartozik új, géntechnológiával módosított gabonanövényfajták előállítása, humán inzulin előállítása géntechnológiával módosított baktériumok felhasználásával, eritropoetin előállítása sejttenyészetben vagy új kísérleti egérfajták tudományos kutatás céljából.

A mikrobiológiai, bioszintetikus ipar alapja a baktériumsejt. Az ipari termeléshez szükséges sejteket bizonyos jellemzők szerint választják ki, amelyek közül a legfontosabb az, hogy egy adott vegyületet - aminosavat vagy antibiotikumot, szteroid hormont vagy szerves savat - a lehető legnagyobb mennyiségben képesek előállítani, szintetizálni. . Néha szükség van egy mikroorganizmusra, amely képes például olajat vagy szennyvizet „élelmiszerként” felhasználni, és biomasszává vagy akár takarmány-adalékanyagnak megfelelő fehérjévé feldolgozni. Néha szükségünk van olyan organizmusokra, amelyek magas hőmérsékleten vagy olyan anyagok jelenlétében fejlődhetnek, amelyek más típusú mikroorganizmusokra nézve biztosan halálosak.

Az ilyen ipari törzsek előállítása nagyon fontos, a sejtek módosítására és szelekciójára számos módszert fejlesztettek ki – az erős mérgekkel való kezeléstől a radioaktív besugárzásig. Ezeknek a technikáknak a célja az, hogy változásokat érjenek el a sejt örökletes, genetikai berendezésében. Eredményük számos mutáns mikroba termelése, amelyek közül több száz és ezer közül a tudósok megpróbálják kiválasztani az adott célra legmegfelelőbbet. A kémiai vagy sugármutagenezis módszereinek megalkotása a biológia kiemelkedő vívmánya volt, és széles körben alkalmazzák a modern biotechnológiában.

De képességeiket maguk a mikroorganizmusok természete korlátozza. Nem képesek számos értékes anyagot szintetizálni, amelyek a növényekben, elsősorban a gyógy- és illóolajos növényekben halmozódnak fel. Nem tudnak szintetizálni az állatok és az emberek élete szempontjából nagyon fontos anyagokat, számos enzimet, peptidhormonokat, immunfehérjéket, interferonokat és sok egyszerűbb vegyületet, amelyek az állatok és az emberek szervezetében szintetizálódnak. Természetesen a mikroorganizmusok lehetőségei korántsem merültek ki. A mikroorganizmusok teljes mennyiségének csak egy kis részét használta fel a tudomány, és különösen az ipar. A mikroorganizmusok szelekciója szempontjából nagy érdeklődésre tartanak számot például az oxigén hiányában élő anaerob baktériumok, a fényenergiát használó fototrófok, mint a növények, a kemoautotrófok, a termofil baktériumok, amelyek hőmérsékleten is élnek, mint nemrég kiderült, kb 110°C stb.

Pedig a „természetes anyag” korlátai nyilvánvalóak. A korlátozásokat a növények és állatok sejt- és szövettenyészeteinek segítségével próbálták és próbálják megkerülni. Ez egy nagyon fontos és ígéretes út, amely a biotechnológiában is megvalósul. Az elmúlt néhány évtizedben a tudósok olyan módszereket fejlesztettek ki, amelyek segítségével egy növény vagy állat egyes szövetsejtjei a szervezettől elkülönítve növekedhetnek és szaporodhatnak, mint a baktériumsejtek. Ez fontos eredmény volt - az így létrejött sejttenyészeteket kísérletekre és bizonyos anyagok ipari előállítására használják fel, amelyeket nem lehet baktériumtenyészetekkel előállítani.

[szerkesztés]

Fejlődéstörténet és elért technológiai szint

A huszadik század második felében számos fontos felfedezés és találmány született, amelyek a géntechnológia alapját képezik. A génekben „beírt” biológiai információk „beolvasására” irányuló sokéves kísérletek sikeresen befejeződtek. Ezt a munkát F. Sanger angol és W. Gilbert amerikai tudós indította el (kémiai Nobel-díj 1980). Mint ismeretes, a gének információs utasításokat tartalmaznak az RNS-molekulák és fehérjék, köztük az enzimek szintéziséhez a szervezetben. Ahhoz, hogy egy sejtet új, számára szokatlan anyagok szintézisére kényszerítsünk, szükséges, hogy a megfelelő enzimkészletek szintetizálódjanak benne. És ehhez vagy szándékosan módosítani kell a benne található géneket, vagy új, korábban hiányzó géneket kell bevinni bele. Az élő sejtekben a gének változásai mutációk. Például mutagén – vegyi mérgek vagy sugárzás – hatása alatt fordulnak elő. De az ilyen változásokat nem lehet irányítani vagy irányítani. Ezért a tudósok erőfeszítéseiket arra összpontosították, hogy olyan módszereket dolgozzanak ki, amelyek segítségével új, nagyon specifikus, az ember számára szükséges géneket juttathatnak be a sejtekbe.

A géntechnológiai probléma megoldásának fő szakaszai a következők:

1. Izolált gén beszerzése.

2. A gén bejuttatása egy vektorba a szervezetbe történő átvitel céljából.

3. A vektor átvitele a génnel a módosított szervezetbe.

4. Testsejtek átalakulása.

5. A géntechnológiával módosított szervezetek (GMO-k) szelektálása és a nem sikeresen módosított szervezetek eltávolítása.

A génszintézis folyamata mára nagyon jól fejlett, sőt nagyrészt automatizált. Vannak speciális számítógépekkel felszerelt eszközök, amelyek memóriájában különféle nukleotid szekvenciák szintézisére szolgáló programok tárolódnak. Ez a berendezés 100-120 nitrogénbázis hosszúságú DNS-szegmenseket (oligonukleotidokat) szintetizál. Széles körben elterjedt egy olyan technika, amely lehetővé teszi a polimeráz láncreakció felhasználását DNS szintetizálására, beleértve a mutáns DNS-t is. Templát DNS-szintézishez hőstabil enzimet, a DNS-polimerázt használnak benne, amelyhez mesterségesen szintetizált nukleinsavdarabokat - oligonukleotidokat - használnak magokként. A reverz transzkriptáz enzim lehetővé teszi az ilyen primerek használatával DNS szintetizálását sejtekből származó RNS mátrixon. Az így szintetizált DNS-t komplementer DNS-nek (RNS) vagy cDNS-nek nevezik. Egy izolált, "kémiailag tiszta" gén a fágkönyvtárból is beszerezhető. Ez egy bakteriofág készítmény neve, amelynek genomjába véletlenszerű fragmensek épülnek be a genomból vagy a cDNS-ből, amelyeket a fág az összes DNS-ével együtt reprodukál.

A gén vektorba történő beillesztéséhez enzimeket használnak - restrikciós enzimeket és ligázokat, amelyek szintén hasznos eszközök a géntechnológia számára. Restrikciós enzimek segítségével a gén és a vektor darabokra vágható. A ligázok segítségével az ilyen darabokat össze lehet „ragasztani”, más kombinációba kombinálni, új gént konstruálni, vagy vektorba zárni. A restrikciós enzimek felfedezéséért Werner Arber, Daniel Nathans és Hamilton Smith is Nobel-díjat kapott (1978).

A gének baktériumokba való bejuttatásának technikáját azután fejlesztették ki, hogy Frederick Griffith felfedezte a bakteriális átalakulás jelenségét. Ez a jelenség egy primitív szexuális folyamaton alapul, amely a baktériumokban a nem kromoszómális DNS kis fragmentumainak, plazmidjainak cseréjével jár együtt. A plazmid technológiák képezték az alapot a mesterséges gének baktériumsejtekbe való bejuttatásához.

Jelentős nehézségeket okoztak egy kész génnek a növényi és állati sejtek örökletes apparátusába történő bejuttatása. A természetben azonban előfordulnak olyan esetek, amikor idegen DNS (vírus vagy bakteriofág) bekerül a sejt genetikai apparátusába, és metabolikus mechanizmusai segítségével elkezdi szintetizálni „fehérjét”. A tudósok tanulmányozták az idegen DNS bejuttatásának jellemzőit, és elvként használták a genetikai anyag sejtbe történő bejuttatására. Ezt a folyamatot transzfekciónak nevezik.

Ha egysejtű szervezetek vagy többsejtű sejtkultúrák módosulnak, akkor a klónozás ebben a szakaszban kezdődik, azaz. azon organizmusok és leszármazottaik (klónjaik) kiválasztása, amelyek módosultak. Ha többsejtű szervezetek beszerzése a feladat, akkor a megváltozott genotípusú sejteket a növények vegetatív szaporítására használják, vagy a helyettesítő anya blasztocisztáiba juttatják be, ha állatokról van szó. Ennek eredményeként a kölykök megváltozott vagy változatlan genotípussal születnek, amelyek közül csak azokat választják ki és keresztezik egymással, amelyek a várt változásokat mutatják.

Alkalmazás a tudományos kutatásban

Genetikai kiütés. A genetikai knockout használható egy adott gén működésének tanulmányozására. Ez a neve egy vagy több gén eltávolításának technikájának, amely lehetővé teszi egy ilyen mutáció következményeinek tanulmányozását. Knockouthoz ugyanazt a gént vagy annak fragmentumát szintetizálják, módosítják, így a géntermék elveszti funkcióját. A knockout egerek előállításához az így létrejött, genetikailag módosított konstrukciót embrionális őssejtekbe juttatják, és azzal helyettesítik a normál gént, a megváltozott sejteket pedig egy béranya blasztocisztáiba ültetik be. A Drosophila gyümölcslégyben nagy populációban indulnak be a mutációk, amelyekből aztán a kívánt mutációval rendelkező utódokat keresik. Hasonló módon a növényekben és a mikroorganizmusokban kiütések keletkeznek.

Mesterséges kifejezés. A kiütés logikus kiegészítése a mesterséges kifejezés, azaz. olyan gén hozzáadása a szervezethez, amely korábban nem volt benne. Ez a géntechnológiai technika a génfunkciók vizsgálatára is használható. Lényegében a további gének bejuttatásának folyamata ugyanaz, mint a knockout esetében, de a meglévő gének nem cserélődnek ki vagy sérülnek.

Géntermékek címkézése. Akkor használatos, ha a cél egy géntermék lokalizációjának tanulmányozása. A jelölés egyik módja a normál gén helyettesítése egy riporterelemmel, például a zöld fluoreszcens fehérje (GRF) génjével. Ezt a fehérjét, amely kék fényben fluoreszkál, a genetikai módosítás termékének megjelenítésére használják. Bár ez a technika kényelmes és hasznos, mellékhatásai lehetnek a kérdéses fehérje funkciójának részleges vagy teljes elvesztése. Kifinomultabb, bár nem olyan kényelmes módszer, ha a vizsgált fehérjéhez kisebb oligopeptideket adnak, amelyek specifikus antitestek segítségével kimutathatók.

Az expressziós mechanizmus tanulmányozása. Az ilyen kísérletekben a génexpresszió körülményeinek vizsgálata a cél. Az expressziós jellemzők elsősorban a kódoló régió előtt elhelyezkedő kis DNS-darabtól függenek, amelyet promóternek neveznek, és a transzkripciós faktorok megkötésére szolgál. Ezt a szakaszt juttatják be a szervezetbe, majd egy riportergént, például GFP-t vagy egy jól kimutatható reakciót katalizáló enzimet saját génje helyett. Amellett, hogy a promóter működése bizonyos szövetekben időnként jól láthatóvá válik, az ilyen kísérletek lehetővé teszik a promoter szerkezetének tanulmányozását DNS-fragmensek eltávolításával vagy hozzáadásával, valamint mesterséges fokozásával. funkciókat.

[szerkesztés]

Humán géntechnológia

Ha embereken alkalmazzák, a génsebészet örökletes betegségek kezelésére használható. Jelentős különbség van azonban aközött, hogy magát a beteget kezelik, és a leszármazottai genomját megváltoztatják.

Bár kis léptékben, a géntechnológiát már alkalmazzák bizonyos típusú meddőségben szenvedő nők teherbe esésének elősegítésére. Erre a célra egészséges nők tojásait használják. Ennek eredményeként a gyermek egy apától és két anyától örökli a genotípust. A géntechnológia segítségével módosult megjelenésű, szellemi és testi adottságokkal, karakterrel, viselkedéssel rendelkező leszármazottakat lehet szerezni. Elvileg lehet komolyabb változásokat is létrehozni, de az ilyen átalakulások útján az emberiségnek számos etikai problémát kell megoldania.

Megjegyzések

BBC News. news.bbc.co.uk. Letöltve: 2008-04-26

Irodalom

Singer M., Berg P. Gének és genomok. - Moszkva, 1998.

Stent G., Kalindar R. Molekuláris genetika. - Moszkva, 1981.

Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molecular Cloning. - 1989.

Gazdasági jelentősége

A géntechnológia arra szolgál, hogy a megváltoztatható vagy genetikailag módosított szervezet kívánt tulajdonságait megszerezzük. Ellentétben a hagyományos szelekcióval, amely során a genotípus csak közvetve változik, a génsebészet lehetővé teszi a közvetlen beavatkozást a genetikai apparátusba a molekuláris klónozás technikájával. A génsebészet alkalmazására példaként említhető új, géntechnológiával módosított gabonanövényfajták előállítása, humán inzulin előállítása génmódosított baktériumok felhasználásával, eritropoetin előállítása sejtkultúrában vagy új kísérleti egérfajták tudományos kutatás céljából.

A mikrobiológiai, bioszintetikus ipar alapja a baktériumsejt. Az ipari termeléshez szükséges sejteket bizonyos jellemzők szerint választják ki, amelyek közül a legfontosabb az, hogy egy adott vegyületet - aminosavat vagy antibiotikumot, szteroid hormont vagy szerves savat - a lehető legnagyobb mennyiségben képesek előállítani, szintetizálni. . Néha szükség van egy mikroorganizmusra, amely képes például olajat vagy szennyvizet „élelmiszerként” felhasználni, és biomasszává vagy akár takarmány-adalékanyagnak megfelelő fehérjévé feldolgozni. Néha szükségünk van olyan organizmusokra, amelyek magas hőmérsékleten vagy olyan anyagok jelenlétében fejlődhetnek, amelyek más típusú mikroorganizmusokra nézve biztosan halálosak.

Az ilyen ipari törzsek előállítása nagyon fontos módosításukhoz és szelekciójukhoz, számos módszert fejlesztettek ki a sejt aktív befolyásolására - az erős mérgekkel való kezeléstől a radioaktív besugárzásig. Ezeknek a technikáknak a célja az, hogy változásokat érjenek el a sejt örökletes, genetikai berendezésében. Eredményük számos mutáns mikroba termelése, amelyek közül több száz és ezer közül a tudósok megpróbálják kiválasztani az adott célra legmegfelelőbbet. A kémiai vagy sugármutagenezis módszereinek megalkotása a biológia kiemelkedő vívmánya volt, és széles körben alkalmazzák a modern korban. biotechnológia.

De képességeiket maguk a mikroorganizmusok természete korlátozza. Nem képesek számos értékes anyagot szintetizálni, amelyek a növényekben, elsősorban a gyógy- és illóolajos növényekben halmozódnak fel. Nem tudnak szintetizálni az állatok és az emberek élete szempontjából nagyon fontos anyagokat, számos enzimet, peptidhormonokat, immunfehérjéket, interferonokat és sok egyszerűbb vegyületet, amelyek az állatok és az emberek szervezetében szintetizálódnak. Természetesen a mikroorganizmusok lehetőségei korántsem merültek ki. A mikroorganizmusok teljes mennyiségének csak egy kis részét használta fel a tudomány, és különösen az ipar. A mikroorganizmusok szelekciója szempontjából nagy érdeklődésre tartanak számot például az oxigénhiányban élni képes anaerob baktériumok, a fényenergiát használó fototrófok, mint a növények, a kemoautotrófok, a hőmérsékleten életképes termofil baktériumok, amint azt nemrég felfedezték, kb. 110°C stb.

Pedig a „természetes anyag” korlátai nyilvánvalóak. A korlátozásokat a növények és állatok sejt- és szövettenyészeteinek segítségével próbálták és próbálják megkerülni. Ez egy nagyon fontos és ígéretes út, amelynek megvalósítása is folyamatban van biotechnológia. Az elmúlt néhány évtizedben a tudósok olyan módszereket fejlesztettek ki, amelyek segítségével egy növény vagy állat egyes szövetsejtjei a szervezettől elkülönítve növekedhetnek és szaporodhatnak, mint a baktériumsejtek. Ez fontos eredmény volt - az így létrejött sejttenyészeteket kísérletekre és bizonyos anyagok ipari előállítására használják fel, amelyeket nem lehet baktériumtenyészetekkel előállítani.

Fejlődéstörténet és elért technológiai szint

A 20. század második felében számos fontos felfedezés és találmány született, amelyek ennek hátterében állnak géntechnológia. A génekben „beírt” biológiai információk „beolvasására” irányuló sokéves kísérletek sikeresen befejeződtek. Ezt a munkát F. Sanger angol és W. Gilbert amerikai tudós (kémiai Nobel-díj) kezdte. Mint ismeretes, a gének információs utasításokat tartalmaznak az RNS-molekulák és fehérjék, köztük az enzimek szintéziséhez a szervezetben. Ahhoz, hogy egy sejtet új, számára szokatlan anyagok szintézisére kényszerítsünk, szükséges, hogy a megfelelő enzimkészletek szintetizálódjanak benne. És ehhez vagy szándékosan módosítani kell a benne található géneket, vagy új, korábban hiányzó géneket kell bevinni. Az élő sejtekben a gének változásai mutációk. Például mutagén – vegyi mérgek vagy sugárzás – hatása alatt fordulnak elő. De az ilyen változásokat nem lehet irányítani vagy irányítani. Ezért a tudósok erőfeszítéseiket arra összpontosították, hogy olyan módszereket dolgozzanak ki, amelyek segítségével új, nagyon specifikus, az ember számára szükséges géneket juttathatnak be a sejtekbe.

A géntechnológiai probléma megoldásának fő szakaszai a következők:

1. Izolált gén beszerzése. 2. A gén bejuttatása egy vektorba a szervezetbe történő átvitel céljából. 3. A vektor átvitele a génnel a módosított szervezetbe.

A génszintézis folyamata mára nagyon jól fejlett, sőt nagyrészt automatizált. Vannak speciális számítógépekkel felszerelt eszközök, amelyek memóriájában különféle nukleotid szekvenciák szintézisére szolgáló programok tárolódnak. Ez a berendezés 100-120 nitrogénbázis hosszúságú DNS-szegmenseket (oligonukleotidokat) szintetizál. Széles körben elterjedt egy olyan technika, amely lehetővé teszi a polimeráz láncreakció alkalmazását DNS szintézisére, beleértve a mutáns DNS-t is. Templát DNS-szintézishez hőstabil enzimet, a DNS-polimerázt használnak benne, amelyhez mesterségesen szintetizált nukleinsavdarabokat - oligonukleotidokat - használnak magokként. A reverz transzkriptáz enzim lehetővé teszi az ilyen primerek használatával DNS szintetizálását a sejtekből izolált RNS templátán. Az így szintetizált DNS-t komplementer DNS-nek (RNS) vagy cDNS-nek nevezik. Egy izolált, "kémiailag tiszta" gén a fágkönyvtárból is beszerezhető. Ez egy bakteriofág készítmény neve, amelynek genomjába véletlenszerű fragmensek épülnek be a genomból vagy a cDNS-ből, amelyeket a fág az összes DNS-ével együtt reprodukál.

A gének baktériumokba való bejuttatásának technikáját azután fejlesztették ki, hogy Frederick Griffith felfedezte a bakteriális átalakulás jelenségét. Ez a jelenség egy primitív szexuális folyamaton alapul, amely a baktériumokban a nem kromoszómális DNS kis fragmentumainak, plazmidjainak cseréjével jár együtt. A plazmid technológiák képezték az alapot a mesterséges gének baktériumsejtekbe való bejuttatásához.

Jelentős nehézségeket okoztak egy kész génnek a növényi és állati sejtek örökletes apparátusába történő bejuttatása. A természetben azonban előfordulnak olyan esetek, amikor idegen DNS (vírus vagy bakteriofág) bekerül a sejt genetikai apparátusába, és metabolikus mechanizmusai segítségével elkezdi szintetizálni „fehérjét”. A tudósok tanulmányozták az idegen DNS bejuttatásának jellemzőit, és elvként használták a genetikai anyag sejtbe történő bejuttatására. Ezt a folyamatot transzfekciónak nevezik.

Ha az egysejtű szervezetek vagy többsejtű sejtkultúrák módosításnak vannak kitéve, akkor ebben a szakaszban kezdődik a klónozás, vagyis azon szervezetek és leszármazottaik (klónjaik) szelekciója, amelyek módosultak. Ha többsejtű szervezetek beszerzése a feladat, akkor a megváltozott genotípusú sejteket a növények vegetatív szaporítására használják, vagy a helyettesítő anya blasztocisztáiba juttatják be, ha állatokról van szó. Ennek eredményeként a kölykök megváltozott vagy változatlan genotípussal születnek, amelyek közül csak azokat választják ki és keresztezik egymással, amelyek a várt változásokat mutatják.

Alkalmazás a tudományos kutatásban

Bár kis léptékben, a géntechnológiát már alkalmazzák arra, hogy bizonyos típusú meddőségben szenvedő nőknek esélyt adjanak a teherbeesésre. Erre a célra egészséges nők tojásait használják. Ennek eredményeként a gyermek egy apától és két anyától örökli a genotípust.

Az emberi genom jelentősebb megváltoztatásának lehetősége azonban számos komoly etikai problémával szembesül.

Gazdasági jelentősége

A géntechnológia arra szolgál, hogy a megváltoztatható vagy genetikailag módosított szervezet kívánt tulajdonságait megszerezzük. Ellentétben a hagyományos szelekcióval, amely során a genotípus csak közvetve változik, a génsebészet lehetővé teszi a közvetlen beavatkozást a genetikai apparátusba a molekuláris klónozás technikájával. A génsebészet alkalmazására példaként említhető új, géntechnológiával módosított gabonanövényfajták előállítása, humán inzulin előállítása génmódosított baktériumok felhasználásával, eritropoetin előállítása sejtkultúrában vagy új kísérleti egérfajták tudományos kutatás céljából.

A mikrobiológiai, bioszintetikus ipar alapja a baktériumsejt. Az ipari termeléshez szükséges sejteket bizonyos jellemzők szerint választják ki, amelyek közül a legfontosabb az, hogy egy adott vegyületet - aminosavat vagy antibiotikumot, szteroid hormont vagy szerves savat - a lehető legnagyobb mennyiségben képesek előállítani, szintetizálni. . Néha szükség van egy mikroorganizmusra, amely képes például olajat vagy szennyvizet „élelmiszerként” felhasználni, és biomasszává vagy akár takarmány-adalékanyagnak megfelelő fehérjévé feldolgozni. Néha szükségünk van olyan organizmusokra, amelyek magas hőmérsékleten vagy olyan anyagok jelenlétében fejlődhetnek, amelyek más típusú mikroorganizmusokra nézve biztosan halálosak.

Az ilyen ipari törzsek előállítása nagyon fontos módosításukhoz és szelekciójukhoz, számos módszert fejlesztettek ki a sejt aktív befolyásolására - az erős mérgekkel való kezeléstől a radioaktív besugárzásig. Ezeknek a technikáknak a célja az, hogy változásokat érjenek el a sejt örökletes, genetikai berendezésében. Eredményük számos mutáns mikroba termelése, amelyek közül több száz és ezer közül a tudósok megpróbálják kiválasztani az adott célra legmegfelelőbbet. A kémiai vagy sugármutagenezis módszereinek megalkotása a biológia kiemelkedő vívmánya volt, és széles körben alkalmazzák a modern korban. biotechnológia.

De képességeiket maguk a mikroorganizmusok természete korlátozza. Nem képesek számos értékes anyagot szintetizálni, amelyek a növényekben, elsősorban a gyógy- és illóolajos növényekben halmozódnak fel. Nem tudnak szintetizálni az állatok és az emberek élete szempontjából nagyon fontos anyagokat, számos enzimet, peptidhormonokat, immunfehérjéket, interferonokat és sok egyszerűbb vegyületet, amelyek az állatok és az emberek szervezetében szintetizálódnak. Természetesen a mikroorganizmusok lehetőségei korántsem merültek ki. A mikroorganizmusok teljes mennyiségének csak egy kis részét használta fel a tudomány, és különösen az ipar. A mikroorganizmusok szelekciója szempontjából nagy érdeklődésre tartanak számot például az oxigénhiányban élni képes anaerob baktériumok, a fényenergiát használó fototrófok, mint a növények, a kemoautotrófok, a hőmérsékleten életképes termofil baktériumok, amint azt nemrég felfedezték, kb. 110°C stb.

Pedig a „természetes anyag” korlátai nyilvánvalóak. A korlátozásokat a növények és állatok sejt- és szövettenyészeteinek segítségével próbálták és próbálják megkerülni. Ez egy nagyon fontos és ígéretes út, amelynek megvalósítása is folyamatban van biotechnológia. Az elmúlt néhány évtizedben a tudósok olyan módszereket fejlesztettek ki, amelyek segítségével egy növény vagy állat egyes szövetsejtjei a szervezettől elkülönítve növekedhetnek és szaporodhatnak, mint a baktériumsejtek. Ez fontos eredmény volt - az így létrejött sejttenyészeteket kísérletekre és bizonyos anyagok ipari előállítására használják fel, amelyeket nem lehet baktériumtenyészetekkel előállítani.

Fejlődéstörténet és elért technológiai szint

A 20. század második felében számos fontos felfedezés és találmány született, amelyek ennek hátterében állnak géntechnológia. A génekben „beírt” biológiai információk „beolvasására” irányuló sokéves kísérletek sikeresen befejeződtek. Ezt a munkát F. Sanger angol és W. Gilbert amerikai tudós (kémiai Nobel-díj) kezdte. Mint ismeretes, a gének információs utasításokat tartalmaznak az RNS-molekulák és fehérjék, köztük az enzimek szintéziséhez a szervezetben. Ahhoz, hogy egy sejtet új, számára szokatlan anyagok szintézisére kényszerítsünk, szükséges, hogy a megfelelő enzimkészletek szintetizálódjanak benne. És ehhez vagy szándékosan módosítani kell a benne található géneket, vagy új, korábban hiányzó géneket kell bevinni. Az élő sejtekben a gének változásai mutációk. Például mutagén – vegyi mérgek vagy sugárzás – hatása alatt fordulnak elő. De az ilyen változásokat nem lehet irányítani vagy irányítani. Ezért a tudósok erőfeszítéseiket arra összpontosították, hogy olyan módszereket dolgozzanak ki, amelyek segítségével új, nagyon specifikus, az ember számára szükséges géneket juttathatnak be a sejtekbe.

A géntechnológiai probléma megoldásának fő szakaszai a következők:

1. Izolált gén beszerzése. 2. A gén bejuttatása egy vektorba a szervezetbe történő átvitel céljából. 3. A vektor átvitele a génnel a módosított szervezetbe.

A génszintézis folyamata mára nagyon jól fejlett, sőt nagyrészt automatizált. Vannak speciális számítógépekkel felszerelt eszközök, amelyek memóriájában különféle nukleotid szekvenciák szintézisére szolgáló programok tárolódnak. Ez a berendezés 100-120 nitrogénbázis hosszúságú DNS-szegmenseket (oligonukleotidokat) szintetizál. Széles körben elterjedt egy olyan technika, amely lehetővé teszi a polimeráz láncreakció alkalmazását DNS szintézisére, beleértve a mutáns DNS-t is. Templát DNS-szintézishez hőstabil enzimet, a DNS-polimerázt használnak benne, amelyhez mesterségesen szintetizált nukleinsavdarabokat - oligonukleotidokat - használnak magokként. A reverz transzkriptáz enzim lehetővé teszi az ilyen primerek használatával DNS szintetizálását a sejtekből izolált RNS templátán. Az így szintetizált DNS-t komplementer DNS-nek (RNS) vagy cDNS-nek nevezik. Egy izolált, "kémiailag tiszta" gén a fágkönyvtárból is beszerezhető. Ez egy bakteriofág készítmény neve, amelynek genomjába véletlenszerű fragmensek épülnek be a genomból vagy a cDNS-ből, amelyeket a fág az összes DNS-ével együtt reprodukál.

A gének baktériumokba való bejuttatásának technikáját azután fejlesztették ki, hogy Frederick Griffith felfedezte a bakteriális átalakulás jelenségét. Ez a jelenség egy primitív szexuális folyamaton alapul, amely a baktériumokban a nem kromoszómális DNS kis fragmentumainak, plazmidjainak cseréjével jár együtt. A plazmid technológiák képezték az alapot a mesterséges gének baktériumsejtekbe való bejuttatásához.

Jelentős nehézségeket okoztak egy kész génnek a növényi és állati sejtek örökletes apparátusába történő bejuttatása. A természetben azonban előfordulnak olyan esetek, amikor idegen DNS (vírus vagy bakteriofág) bekerül a sejt genetikai apparátusába, és metabolikus mechanizmusai segítségével elkezdi szintetizálni „fehérjét”. A tudósok tanulmányozták az idegen DNS bejuttatásának jellemzőit, és elvként használták a genetikai anyag sejtbe történő bejuttatására. Ezt a folyamatot transzfekciónak nevezik.

Ha az egysejtű szervezetek vagy többsejtű sejtkultúrák módosításnak vannak kitéve, akkor ebben a szakaszban kezdődik a klónozás, vagyis azon szervezetek és leszármazottaik (klónjaik) szelekciója, amelyek módosultak. Ha többsejtű szervezetek beszerzése a feladat, akkor a megváltozott genotípusú sejteket a növények vegetatív szaporítására használják, vagy a helyettesítő anya blasztocisztáiba juttatják be, ha állatokról van szó. Ennek eredményeként a kölykök megváltozott vagy változatlan genotípussal születnek, amelyek közül csak azokat választják ki és keresztezik egymással, amelyek a várt változásokat mutatják.

Alkalmazás a tudományos kutatásban

Bár kis léptékben, a géntechnológiát már alkalmazzák arra, hogy bizonyos típusú meddőségben szenvedő nőknek esélyt adjanak a teherbeesésre. Erre a célra egészséges nők tojásait használják. Ennek eredményeként a gyermek egy apától és két anyától örökli a genotípust.

Az emberi genom jelentősebb megváltoztatásának lehetősége azonban számos komoly etikai problémával szembesül.

GÉNTECHNIKA(szin. géntechnológia) - a molekuláris biológiai és genetikai kutatások iránya, amelynek végső célja, hogy laboratóriumi technikák segítségével olyan organizmusokat szerezzenek, amelyek örökletes tulajdonságokkal rendelkeznek új, beleértve a természetben nem találhatókat is. G. szívében és. a molekuláris biológia és a genetika legújabb vívmányainak köszönhetően a nukleinsavak töredékeivel történő célzott manipuláció lehetősége rejlik. Ezek közé az eredmények közé tartozik a genetikai kód univerzalitásának megállapítása (lásd), vagyis az, hogy minden élő szervezetben ugyanazon aminosavak fehérjemolekulába kerülését ugyanazok a nukleotidszekvenciák kódolják a DNS-láncban; a genetikai enzimológia sikerei, amelyek olyan enzimkészletet biztosítottak a kutatónak, amely lehetővé teszi egyedi gének vagy nukleinsav-fragmensek izolált formában történő kinyerését, nukleinsav-fragmensek in vitro szintézisét, és a kapott fragmentumok egyesítését. egyetlen egész. Így a szervezet örökletes tulajdonságainak megváltoztatása G. segítségével és. Ennek lényege, hogy különféle töredékekből új genetikai anyagot hoznak létre, ezt az anyagot bejuttatják a befogadó szervezetbe, megteremtik a feltételeket a működéséhez és a stabil öröklődéshez.

A gének megszerzésének egyik módja a kémiai. szintézis. Miután A. Holli az USA-ban, A. A. Baev a Szovjetunióban és más kutatóknak sikerült megfejteniük a különféle transzport RBHA-k (tRNS-ek) szerkezetét, X. Korana és munkatársai végezték el a chem. a sütőélesztő alanin tRNS-ét kódoló DNS szintézise.

De a mesterséges génszintézis leghatékonyabb módszere az RNS-függő DNS-polimeráz (reverz transzkriptáz) enzim használatához kapcsolódik, amelyet D. Baltimore és H. Temin fedezett fel onkogén vírusokban (lásd). Ezt az enzimet bizonyos RNS-t tartalmazó onkogén vírusokkal fertőzött sejtekből izoláltuk és tisztítottuk, ideértve a madár myeloblastosis vírusát, a Rous-szarkóma vírust és az egér leukémia vírusát. A reverz transzkriptáz biztosítja a DNS-szintézist egy messenger RNS (mRNS) templáton. Az mRNS-molekulák DNS-szintézis templátként történő alkalmazása nagyban megkönnyíti a magasabb rendű élőlények egyedi szerkezeti génjeinek mesterséges szintézisét, mivel az mRNS-molekulában lévő nitrogénbázisok szekvenciája a megfelelő szerkezeti gének nitrogénbázis-szekvenciájának pontos másolata, és a különböző mRNS-molekulák izolálásának technikája meglehetősen fejlett. Az emberek, állatok és madarak hemoglobinjának részét képező globinfehérje mRNS, a szemlencse fehérje mRNS, az immunglobin mRNS, valamint a rosszindulatú daganat (myeloma) specifikus fehérjéjének mRNS izolálásának fejlődése lehetővé tette, reverz transzkriptáz, hogy szintetizálja a gének szerkezeti részét, amely ezeket a fehérjéket kódolja.

A szervezetben azonban a strukturális gének együtt működnek a szabályozó génekkel, amelyek nukleotidszekvenciáját egy mRNS-molekula nem reprodukálja. Ezért ezen módszerek egyike sem teszi lehetővé strukturális és szabályozó gének szintézisét. A probléma megoldása az egyes gének izolálására szolgáló módszerek kidolgozása után vált lehetővé. A bakteriális gének izolálására kis DNS-tartalmú citoplazmatikus struktúrákat használnak, amelyek a bakteriális kromoszómától függetlenül képesek replikálódni (lásd Replikáció). Ezek a struktúrák a baktériumok extrakromoszómális genetikai elemeinek egyetlen csoportját alkotják - plazmidok (lásd: Plazmidok). Egy részük beépülhet a bakteriális kromoszómába, majd spontán módon vagy indukáló szerek hatására, pl. UV-besugárzással a kromoszómából a citoplazmába kerül, magával viszi a gazdasejtek szomszédos kromoszómális génjeit. Az ilyen tulajdonságokkal rendelkező baktériumok extrakromoszómális genetikai elemeit episzómáknak nevezik [F. Jacob, Wollman (E. Wollman)]. Az epizómák (lásd) közé tartoznak a mérsékelt égövi fágok (lásd: Bakteriofág), a baktériumok nemi faktora, a mikroorganizmusok gyógyszerrezisztenciájának faktorai (lásd), bakteriocinogén faktorok (lásd). A citoplazmában az episzómák által befogott gének replikálódnak bennük, és gyakran több másolatot alkotnak. Hatékony módszer kifejlesztése a bakteriális kromoszóma genetikai anyagát hordozó plazmidok, különösen a mérsékelt égövi fágok izolálására, valamint a bakteriofág genomjában szereplő baktériumsejt kromoszóma fragmentumának izolálására, amelyet 1969-ben engedélyeztek J. Beckwith és mtsai. a laktóz operon izolálása - egy gének csoportja, amely szabályozza a szintézis enzimeket, amelyek szükségesek a laktóz E. coli általi felszívódásához. Hasonló technikát alkalmaztak az Escherichia coli tirozin transzfer RNS szintézisét szabályozó gén izolálására és tisztítására (lásd Ribonukleinsavak).

A plazmidok használata lehetővé teszi szinte bármilyen bakteriális gén izolált formában történő kinyerését, és ezáltal lehetővé teszi DNS-molekulák különböző forrásokból történő előállítását. Az ilyen hibrid struktúrák jelentős mennyiségben halmozódhatnak fel a sejtekben, mivel számos plazmid bizonyos körülmények között intenzíven replikálódik a baktériumok citoplazmájában, tíz, száz, sőt több ezer másolatot képezve.

G. sikerei és. A különböző forrásokból származó genetikai struktúrák egy DNS-molekulában való kombinálására szolgáló technikák kifejlesztéséhez kapcsolódnak. A hibrid molekulák in vitro felépítésében meghatározó volt a restrikciós endonukleázok alkalmazása – olyan speciális enzimek, amelyek képesek DNS-molekulákat vágni a szigorúan meghatározott területeken. Ilyen enzimeket találtak az R típusú plazmidokat hordozó Escherichia coli sejtekben, amelyek meghatározzák a baktériumok bizonyos gyógyszerekkel szembeni rezisztenciáját, a Haemophilus influenzae, a Serratia marcescens és más mikroorganizmusok sejtjeiben. Az egyik leggyakrabban használt ilyen típusú enzim az EcoRI restrikciós endonukleáz, amelyet az RI plazmid szintetizál E. coli sejtekben. Az enzim felismer egy DNS-szakaszt, amelynek egyedi szekvenciája hat nukleotidpárból áll, és ebben a szakaszban elvágja a kettős szálú DNS-struktúrát, így négy nukleotid egyszálú végei (ún. ragadós végek) alakulnak ki mindkét oldalon. Mivel az enzim a DNS-molekulákat eredetüktől függetlenül szigorúan meghatározott módon vágja szét, az enzim hatásának eredményeként keletkező DNS-fragmensek mindegyike ugyanolyan ragadós végű lesz. Bármely DNS-fragmens komplementer ragadós végeit hidrogénkötések egyesítik, hibrid körkörös DNS-t alkotva (ábra). A hibrid DNS-molekula stabilizálására egy másik enzimet használnak - a polinukleotid ligázt, amely helyreállítja a restrikciós enzim által megszakított kovalens kötéseket. Az EcoRI által specifikusan felismert szekvencia nem gyakrabban fordul elő a DNS-ben, mint 4000-16 000 bázispár után. Következésképpen az EcoRI hatására létrejövő DNS-fragmens tartalmazhat legalább egy gént, amelyet az enzim nem károsít (egy gén átlagosan 1000-1500 nukleotidpárt tartalmaz).

A restrikciós endonukleázok és számos más enzim alkalmazása lehetővé teszi komplex rekombináns DNS előállítását. Egy amerikai kutatócsoportnak P. Berg vezetésével sikerült három forrásból származó genetikai információt egyetlen DNS-molekulává egyesíteni: az SV40 onkogén majomvírus teljes genomját (lásd), a mérsékelt égövi λ bakteriofág genomjának egy részét, ill. A galaktóz asszimilációjáért felelős E. coli gének egy csoportja. A megszerkesztett rekombináns molekula funkcionális aktivitását nem vizsgálták, mivel a munka szerzői szembesültek azzal a potenciális veszéllyel, hogy onkogén állati vírusok átterjednek az emberi bélben élő baktériumok populációjába. Ismeretes, hogy a tisztított vírus-DNS behatol a különböző emlőssejtekbe, és stabilan örökölheti őket.

S. Cohen és munkatársai először az USA-ban állítottak elő funkcionálisan aktív hibrid DNS-molekulákat. Cohen csoportja következetesen megoldotta az egymástól filogenetikai szempontból egyre távolabb eső fajokból izolált DNS-molekulák összevonásának és klónozásának (szelektív akkumulációjának) problémáját. A klónozási eljárás általában abból áll, hogy a különböző forrásokból származó DNS-t restrikciós endonukleázok segítségével fragmentálják, majd ezeket a fragmentumokat in vitro egy közös szerkezetté egyesítik, és bejuttatják a recipiens szervezetbe, amely Cohen kísérletei szerint az Escherichia coli. Megállapítást nyert, hogy többféle baktérium (köztük Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus) sejtjei transzformálhatók (lásd Transzformáció) rekombináns DNS-molekulákkal. Ebben az esetben a hibrid molekula plazmid része (vagy valamelyik plazmid, ha a hibrid molekulában két különböző forrásból származó plazmid kombinálódik) vektorként szolgál, azaz biztosítja a filogenetikailag idegen genetikai anyag átjutását a recipiens sejtekbe. és szaporodása bennük. Az első plazmid, amelyet Cohen és munkatársai használtak vektorként, az általa in vitro kapott pSC101 plazmid volt, amely szabályozza a baktériumok tetraciklinnel szembeni rezisztenciáját. Ez a kis plazmid mindössze 8000 bázispárból áll. Az EcoRI enzim csak egy helyen támadja meg, és az enzim nem károsítja a plazmid későbbi replikációs képességét E. coli sejtekben és szabályozza a tetraciklin rezisztenciát. Ezek a tulajdonságok lehetővé tették, hogy hibrid DNS-molekulák in vitro konstruálására használják. Az első szakaszban a különböző típusú baktériumokból, majd magasabb rendű organizmusokból izolált plazmid DNS-t kapcsolták a pSC101-hez. Így „kiméra” plazmidokat hoztak létre (azaz nem képesek természetes körülmények között keletkezni), összetételükben egyesítve az E. coli genetikai anyagát, a Xenopus laevis karmos béka petesejtekből származó DNS-szakaszt, amely szabályozza a szintézist. riboszomális RNS-ből és tengeri sünből származó DNS-szakasz, amely szabályozza a hisztonfehérjék vagy az egér mitokondriális DNS szintézisét. Azokban az E. coli sejtekben, amelyekbe ilyen hibrid, „kiméra” plazmidokat vittek be, magasabb rendű szervezetek génjeinek működését rögzítették.

Ellentétben a pSC101-gyel, amely csak 4-6 kópiában van jelen a sejtben, néhány más vektorként használt plazmid bizonyos körülmények között többször is replikálódhat, és egyetlen sejtben több ezer kópiát hozhat létre. Ilyen tulajdonságokkal rendelkezik például a ColEI plazmid, amely szabályozza a colicin szintézisét (lásd Bakteriocinogenetika). A pSC101-hez hasonlóan a ColEI-t is csak egy helyen hasítja az EcoRI enzim, és a szintén EcoRI-vel kezelt idegen DNS könnyen hozzátapad a kapott, ragadós végű lineáris molekulához. Így sikerült „kapcsolni” az Escherichia coli triptofán operonjának génjeit a ColEI-hez. A megszerkesztett hibrid plazmid több másolatát hordozó sejtekben a triptofán bioszintézis gének által szabályozott enzimfehérjék termelése meredeken megnövekedett. Egy in vitro rendszerben lehetséges volt a ColEI plazmidot bizonyos R faktorokhoz és egy mérsékelt övi fághoz kapcsolni. Hasonló munkát először a Szovjetunióban végeztek A. A. Baev akadémikus és S. I. Alikhanyan professzor vezetésével. A ColEI és R faktorok által alkotott kombinált vektorplazmidok képesek intenzíven szaporodni a baktériumsejtekben, mint például a ColEI, és egyúttal meghatározzák a sejtek antibiotikumokkal szembeni rezisztenciáját, ami nagyban leegyszerűsíti a hibrid plazmidokat hordozó baktériumok kiválasztását.

A mérsékelt égövi fágokat vektorként is használják. Az in vitro rendszerben hibrid bakteriofág részecskéket állítottak elő, amelyek szerkezetükben bakteriális géneket, más fágok vagy magasabb rendű szervezetek DNS-ét (például a Drosophila gyümölcslégy DNS-ét) tartalmazták.

A hibrid DNS funkcionális aktivitását a befogadó organizmusok sejtjeibe való átvitelének lehetősége, majd ezekben a sejtekben történő szaporodása (amplifikációja) határozza meg. Nemcsak a baktériumokat, mint fentebb említettük, hanem a magasabb rendű szervezetek sejtjeit is hatékonyan alkalmazzák már recipiensként, de egyelőre csak a testen kívül tenyésztett szövettenyészet formájában. Vannak arra utaló jelek, hogy a bakteriális géneket hordozó fágok DNS-e behatolhat az emberi kötőszöveti sejtekbe (fibroblasztok), protoplasztokba vagy növényi sejtek differenciálatlan tenyészetébe (kallusz). 1971-ben Amer. S. R. Merril és munkatársai olyan kísérletekről számoltak be, amelyek célja az örökletes hiba - a galaktoszémia - korrekciója a transzdukáló fág DNS-ében lévő baktériumok galaktózgénjeinek „beteg” sejtekbe történő bejuttatásával. Ennek eredményeként a béta-D-galaktóz-1-foszfát-uridiltranszferáz enzim hibás és galaktóz metabolizmusára képtelen, galaktózémiás beteg sejtjei visszaállították normál növekedési képességüket galaktóz jelenlétében, és korábban hiányzó enzimaktivitást regisztráltak. kivonataikban. Hasonló eredményre jutott J. Horst és munkatársai is, amikor a béta-galaktozidáz szintézisét szabályozó bakteriális gént vittek be egy generalizált gangliozidózisban szenvedő beteg fibroblasztjaiba, amelyet ezen enzim súlyos hiánya jellemez. Munyon (W. Munyon) és munkatársai. herpeszvírus segítségével a timidin-kináz szintézisét szabályozó gént az emberi sejtekből egérsejtekbe vitték át, így helyreállították a hibás egérfibroblasztok azon képességét, hogy szintetizálják ezt az enzimet.

Az emberi, állati és növényi sejtek tenyészetében a genetikai információ továbbításának egyik módja a szomatikus sejtek hibridizációja, amelyet Ephrussi és G. Barski fejlesztett ki. Ennek a módszernek a hatékonysága nagymértékben megnőtt, amikor azt találták, hogy az inaktivált Sendai parainfluenza vírus részecskék növelik a különböző forrásokból származó sejtfúzió gyakoriságát. Kimutatták annak lehetőségét, hogy az izolált kínai hörcsög kromoszómáiból származó egyedi géneket egér kötőszöveti sejtekbe vigyék át. Leírtak humán és egérsejtek hibridjeit, amelyekben az emberi kromoszómák egy része eltávolítódik, egy része pedig funkcionálisan aktív marad. A sejtmikrosebészeti módszerek fejlődése lehetővé tette a sejtmagok szomatikus sejtekből megtermékenyített petesejtekbe történő átültetését, és ennek eredményeként teljesen azonos élőlények előállítását. A sejthibridizáció lehetővé tette a humán globin szintézisének indukálását béka csírasejtekben. Mindezek a példák bemutatják a G. és a lehetséges képességeit.

Gyakorlati jelentősége G. és. az orvostudomány számára az emberben előforduló örökletes anyagcsere-rendellenességek kijavításának kilátásaival (lásd: Génterápia), olyan mikroorganizmusok létrehozásával, amelyek elvesztették patogenitásukat, de megtartják az immunitást, az antibiotikumok, aminosavak, hormonok, vitaminok, enzimek, immunglobulinok szintézisét stb., a megfelelő géneket tartalmazó mikroorganizmusok felhasználásán alapul. Kivételes eredményeket érhet el a közeljövőben G. és. növények. G. módszereivel és. Olyan növényeket próbálnak létrehozni, amelyek képesek felszívni a légköri nitrogént és javítani a növényi élelmiszerek fehérje összetételét. E problémák sikeres megoldása drámaian növeli a növények termelékenységét, csökkenti az ásványi nitrogén termelését és felhasználását, és ezáltal jelentősen javítja a környezetet (lásd). Vizsgálják az állatok és növények teljesen új formáinak létrehozásának lehetőségét a fajok közötti keresztezési akadályok leküzdésével. Ugyanakkor G. és. Az élő természet feltárásának új formájaként nemcsak a biológiában, az orvostudományban és a mezőgazdaságban lehetséges forradalmi szerepével kell számolni, hanem a fejlődésével összefüggésben felmerülő kórokozó mikroorganizmusok új formáinak megjelenésének lehetőségével, a veszélyével is. a hibrid DNS elterjedése az emberekben élő, onkogén vírusokat hordozó baktériumok populációiban stb. Természetesen a tudományos eredmények, köztük a G.I. embertelen, embergyűlölő célokra való szándékos felhasználása csak olyan társadalomban lehetséges, amelyben az ember javát szolgálják a profitnak és az agressziónak van feláldozva.

Kiegészítő anyagokból

A géntechnológia továbbra is gyorsan fejlődő kutatási módszer a molekuláris biológiában és a genetikában. Meg kell jegyezni, hogy a „génsebészet” és a „génsebészet” fogalmak nem teljesen szinonimák, mivel a génsebészettel kapcsolatos kutatások nem korlátozódnak csupán a gének manipulálására. Jelenleg a géntechnológiai módszerek lehetővé teszik a természetes nukleinsavak - a genetikai információk tárolásáért, továbbításáért és megvalósításáért felelős anyagok (lásd Nukleinsavak.) - legmélyebb és legrészletesebb elemzését, valamint módosított ill. teljesen új, a természetben nem található gének (lásd Gén), génkombinációk, és nagy hatékonysággal expresszálják őket élő sejtben (lásd Gén expresszivitás). A géntechnológia elmúlt évtizedben elért konkrét gyakorlati vívmányai közül a legfontosabb a biológiailag aktív fehérjék - inzulin (lásd), interferon (lásd), növekedési hormon (lásd Szomatotrop hormon) stb. - termelőinek megteremtése. mint a géntechnológiai módszerek fejlesztése, az anyagcsere azon láncszemeinek aktiválása, amelyek az alacsony molekulatömegű biológiailag aktív anyagok képződésével kapcsolatosak. Ily módon bizonyos antibiotikumok, aminosavak és vitaminok termelőihez jutottak, sokszor hatékonyabban, mint a hagyományos genetikai és szelekciós módszerekkel tenyésztett anyagok termelői. Módszereket dolgoznak ki a hepatitis, influenza, herpesz és ragadós száj- és körömfájás vírusok elleni tiszta fehérje vakcinák előállítására, a vakcina alkalmazásának ötlete megvalósult, amelynek genomja a vírust kódoló géneket tartalmazza; más vírusok (például hepatitis vagy influenzavírusok) fehérjéinek szintézise: az így felépített vírussal való oltás eredményeként a szervezet nemcsak a himlő ellen fejleszt immunitást, hanem a hepatitis, az influenza vagy a vírus által okozott egyéb betegségek ellen is , melynek fehérjét a beépített gén kódolja.

Jelentősen bővült a restrikciós endonukleázok, restrikciós enzimek, a géntechnológiai manipulációk fő „eszközeinek” világméretű gyűjteménye. Több mint 400 restrikciós enzimet izoláltak, amelyek „felismernek” kb. 100 szerkezetileg eltérő specifikus régió (hely) a DNS-molekulákban (lásd Dezoxiribonukleinsavak), és ezeken a helyeken hasítja a DNS polinukleotid láncát. Egy ilyen enzim vagy több restrikciós enzim kombinációjával szinte bármilyen gén izolálható egy vagy több DNS-fragmensből (úgynevezett restrikciós fragmensekből). Ezzel nemcsak a gének izolálása, hanem munkájuk aktiválása, a gének szerkezetének és molekuláris környezetük elemzése terén is bővültek a géntechnológia lehetőségei. Módszereket dolgoztak ki egy adott nukleotid szekvenciával rendelkező teljes gének szintézisére, lehetővé vált szintetizált és természetes gének ellátása különböző szabályozó nukleotidszekvenciákkal, a gén szigorúan meghatározott szakaszaiban egyes nukleotidok helyettesítése, inszertálása, törlése, lerövidítése vagy kiegészítése; nukleotid láncát egy nukleotid pontossággal.

A géntechnológia vívmánya az volt, hogy behatolt a magasabb rendű organizmusok, köztük az ember sejtjeinek öröklődési mechanizmusainak szervezetébe és működésébe. A legérdekesebb adatok a magasabb rendű eukariótákról származnak géntechnológiai módszerekkel. A génsebészet sikerei nagyrészt új, speciális vektorok előállításával függnek össze, amelyek lehetővé teszik az egyes DNS-fragmensek (gének) hatékony klónozását (reprodukcióját), valamint az ezen gének által kódolt fehérjék szintetizálását.

A DNS-vektorokhoz kapcsolt restrikciós fragmentumokat élő sejtbe klónozzák, kihasználva az ilyen vektorok azon képességét, hogy a sejtben több másolatban szaporodjanak (replikálódnak). A klónozandó fragmensek méretétől és a vizsgálat céljától függően a négy típus egyikének vektorait használjuk - plazmidokat (lásd), fágokat (lásd Bakteriofág), kozmidokat vagy fágok származékait egyszálú DNS-sel.

Viszonylag kisméretű DNS-fragmensek (legfeljebb 10 ezer bázispár) klónozásához plazmidvektorokat (pBR322, pAT 153, pUR250, pUC19 stb.) használnak. Az elmúlt évek génsebészeti vívmánya az X fágon (Charon 4A, gtwes-B) alapuló vektorok előállítása, amelyekben a genom egy részét idegen DNS fragmentum helyettesíti. A hibrid genomot mesterségesen „csomagolják” egy fehérjehéjba, és ezzel a rekonstruált fággal megfertőzik a baktériumokat. A sejtben történő szaporodás során több ezer kópiát képezve a rekonstruált fág azt lizálja és a táptalajba kerül. Ilyen vektorok segítségével 10-25 ezer bázispár hosszúságú DNS-fragmenseket klónoznak.

A kozmid vektorok (pIB8, MUA-3) az X fág és egy plazmid hibridjei. Tartalmazzák az ún. A fág DNS COS-szekvenciái, amelyek a fággenomok fehérjehéjba csomagolásához szükségesek, és a plazmid-DNS egy olyan szakasza, amely lehetővé teszi a kozmidvektorok baktériumokban történő replikációját ugyanúgy, mint a plazmidok. Így a létrejövő rekombináns genom nagy hatékonysággal fertőzi meg a baktériumokat, mint egy bakteriofág, de plazmidként szaporodik bennük anélkül, hogy a baktériumsejt pusztulását okozná. A kozmidokat 35-45 ezer bázispár hosszúságú DNS-fragmensek klónozására használják.

A vektorokat, amelyek egyszálú DNS-t tartalmazó fágok származékai (M13 mp8, M13, mp73 stb.), az M13 bakteriofág cirkuláris DNS-molekuláján alapulnak. Az idegen DNS integrálásához replikatív, kétszálú fág DNS-molekulát használnak. Idegen DIC-t hordozó vektort juttatnak be a baktériumsejtekbe, ahol a rekombináns molekulák a sejt lízise nélkül szaporodnak, és egyszálú DNS-molekulával rendelkező vírusrészecskeként „rügyeznek” a táptalajba. Ezeket a vektorokat DNS-fragmensek (legfeljebb 300-400 nukleotidpár) klónozására használják.

A géntechnológiai manipulációkhoz szükséges gént a megfelelő rekombináns DNS-molekulák klónozásával és az ilyen klónok kiválasztásával nyerik. Azokban az esetekben, amikor magasabb rendű szervezetek és emberek génjeit klónozzák, és az E. coliban való expresszió (leggyakrabban ilyen célra) lehetetlen, a klónozási és szelekciós eljárás több szakaszban történik. Első szakaszban létrehozzák az ún. DNS-fragmensekből (közvetlenül a sejt genomjából klónozott) vagy a megfelelő hírvivő RNS klónozott DNS-kópiáiból (cDNS) származó génkönyvtár. A genomiális DNS-fragmensek és a megfelelő cDNS szerkezetének összehasonlításával fontos információk nyerhetők a genetikai anyag szerveződéséről, örökletes betegségek esetén pedig a genetikai anyagban fellépő anomáliák természetéről, aminek a következménye az betegség. Egy génkönyvtárból modern technikák segítségével kivonható a szükséges gén a környező genomrégiókkal együtt. Jelenleg számos mikroorganizmus, növény és állat (beleértve az emlősöket és az embereket) teljes génkönyvtárát hoztak létre. Az emberi DNS-ben több száz gént és más nukleotidszekvenciát klónoztak és tanulmányoztak ilyen vagy olyan mértékben.

A géntechnológiai kutatás lehetőségei nem korlátozódnak egy gén klónozására és nagyszámú másolatának beszerzésére. Gyakran nemcsak klónozni kell egy gént, hanem biztosítani kell a sejtben való expresszióját is, vagyis a benne található információt be kell építeni az e gén által kódolt fehérje polipeptidláncának aminosavszekvenciájába. Ha a baktériumsejtbe bevitt gént azonos (vagy hasonló) fajba tartozó baktériumokból nyerik, akkor elegendő a gént olyan szabályozó elemekkel izolálni, amelyek az expresszióját szabályozzák. Néhány kivételtől eltekintve azonban az egymástól evolúciósan távol lévő organizmusok szabályozó nukleotidszekvenciái nem cserélhetők fel. Ezért annak érdekében, hogy például egy eukarióta gén expresszióját elérjük E. coli sejtekben, a szabályozó régiót eltávolítjuk belőle, és az ilyen gén szerkezeti részét (bizonyos távolságra) a szabályozó régióhoz kapcsoljuk. a bakteriális gén. Jelentős előrelépés történt e technika fejlesztésében a Ba131 nukleáz enzim felfedezése után, amelynek egyedülálló tulajdonsága, hogy a molekula végétől kezdve egy kétszálú lineáris DNS-molekula mindkét szálát hidrolizálja, azaz ez az enzim eltávolítja a „többletet” ” tetszőleges hosszúságú nukleotidszekvenciák a DNS-fragmens végétől számítva. Jelenleg a szerkezeti és szabályozó régiókat külön izolálják azokkal a restrikciós enzimekkel, amelyek „felismerési” helyei a legsikeresebben a polinukleotid láncon helyezkednek el, majd az „extra” nukleotid szekvenciákat eltávolítják és az eukarióta gén szerkezeti régióját összekapcsolják. a bakteriális gén szabályozó régiójába. Ily módon nem csak az eukarióta gének expresszióját lehet elérni a baktériumsejtekben, hanem fordítva, a magasabb és alacsonyabb eukarióták sejtjeiben is bakteriális géneket.

A génsebészet sikerei szorosan összefüggenek a DNS-molekulák nukleotidszekvenciájának meghatározására szolgáló módszerek (szekvenálás) fejlesztésével és továbbfejlesztésével. A kutatók rendelkezésére álló jelentős számú restrikciós enzim lehetővé teszi egyes DNS-fragmentumok abszolút specificitással történő izolálását, a klónozási módszerek fejlesztése és továbbfejlesztése pedig lehetővé teszi akár egyedi gének fragmentumainak az elemzéshez szükséges mennyiségben történő kinyerését is. A DNS-szekvenálási módszerek olyan hatékonynak bizonyultak, hogy gyakran a DNS-nukleotidok szekvenciájának meghatározásával adatokat nyernek a megfelelő RNS-molekulák nukleotid-szekvenciájáról, valamint a szintetizált fehérjemolekulában lévő aminosavak szekvenciájáról. A DNS-szekvenálás eredményeinek feldolgozásakor széles körben használják a számítógépeket. A kapott kísérleti adatok teljesebb és gyorsabb értelmezésére nemzeti és nemzetközi nukleotidszekvenciák számítógépes „bankjai” jönnek létre. Jelenleg számos bakteriális plazmid és vírus genomjának teljes nukleotidszekvenciáját határozták meg, és már foglalkozik először az egyes kromoszómák teljes nukleotidszekvenciájának, majd a magasabb rendű élőlények, köztük az ember teljes genomjának meghatározásával. megoldva.

Géntechnológiai módszerekkel felfedezték az emberi gének egyes szakaszainak szerkezeti eltéréseit, amelyek örökletes betegségek okozói voltak. Leggyakrabban ez a módszer az ún. b tétel elemzése. Az izolált sejt-DNS-t restrikciós enzimes hidrolízisnek vetjük alá, és a kapott fragmentumokat agaróz- vagy poliakrilamid-gélen végzett elektroforézissel méret szerint elválasztjuk. Az elválasztott töredékeket speciálisan kezelt kromatográfiás papírra, nitrocellulózra vagy nejlonszűrőre visszük át („újranyomják”), és ismét elektroforetikus elválasztásnak vetjük alá. Az egyes frakcióknak megfelelő és hasonló DNS-fragmenseket tartalmazó elektroforegram-területeket kivágjuk; az elektroferogramok vágott metszeteit egy korábban klónozott génnel vagy annak egy részével, vagy egy kémiai úton előállított génnel inkubáljuk. szintézis egy radioaktív jelölést tartalmazó nukleotidszekvenciával. A jelölt DNS csak az elemzett sejtes DNS azon fragmentumaihoz kötődik, amelyek komplementer nukleotidszekvenciájúak. A rögzített jelölés eloszlásának és mennyiségének a normához képesti változása lehetővé teszi, hogy megítéljük az elemzett gén vagy a közeli nukleotidszekvenciák átrendeződését.

Egyes restrikciós enzimek „felismerési” helyei a DNS-molekulában egyenetlenül helyezkednek el, ezért ezen enzimek által hidrolizálva a DNS-molekula számos, különböző hosszúságú fragmentumra hasad. A DNS szerkezetének átstrukturálása, amelynek eredményeként a meglévő „felismerési” területek eltűnnek, vagy új „felismerési” területek jelennek meg, e fragmentumok (ún. restrikciós fragmentumok) halmazának megváltozásához, azaz megjelenéséhez vezet. restrikciós fragmens hossz polimorfizmus (RFR). A DNS-molekulában bekövetkező átrendeződések okozhatnak vagy nem változásokat a szintézis folyamatában vagy a kódolt fehérje szerkezetében; a változást nem okozó átrendeződések vannak többségben, és normális RFLP-t okoznak. Kiderült, hogy az RFLP egyértelmű genetikai tulajdonság. Jelenleg az RFLP elemzés az egyik legpontosabb módszerré vált a humángenetikában és az orvosi genetikában. Számos örökletes betegség esetében leírtak olyan RFLP-formákat, amelyek közvetlenül jelzik a betegség jelenlétét vagy egy kórosan megváltozott gén hordozását.

A géntechnológia egy új kutatási irány, a „fordított genetika” kezdetét jelentette. A hagyományos genetikai elemzést (lásd) a következő sorrendben végezzük: kiválasztunk egy tulajdonságot, megállapítjuk a tulajdonság kapcsolatát egy genetikai determinánssal, és megállapítjuk ennek a determinánsnak a lokalizációját a már ismertekhez képest. A „fordított genetikában” minden fordított sorrendben történik: kiválasztanak egy ismeretlen funkciójú DNS-fragmenst, megállapítják ennek a DNS-fragmensnek a kapcsolatát a genom más régióival és bizonyos tulajdonságokkal. Ez a megközelítés lehetővé tette olyan betegségek korai diagnosztizálására és azonosítására szolgáló módszerek kidolgozását, mint a Huntington-kór, a Duchenne-kór, a cisztás fibrózis, amelyekben az örökletes rendellenességek biokémiai természete még nem ismert. A Huntington-kórea örökletes átvitelének mintázatának megállapítására szolgáló genealógiai módszer segítségével kimutatták, hogy az emberi genomból izolált G8 DNS-fragmens szorosan kapcsolódik a betegséget meghatározó génhez, és a G8-fragmens RFLP-formáját egy adott esetben. populációban lehetséges a betegség diagnosztizálása és a hibás gének hordozóinak azonosítása.

A géntechnológiában használt módszerek orvosi gyakorlatba való bevezetése még mindig sok technikai nehézséggel jár. A világ számos laboratóriumában fejlesztenek aktívan a gyakorlatban is megfelelő géntechnológiai diagnosztikai módszereket, és remélhető, hogy a közeljövőben ezek a módszerek alkalmazásra találnak, ha nem is tömeges genetikai rostálásra (szűrésre) a lakosság orvosi vizsgálata során, de legalább a magas kockázatú csoportok szelektív vizsgálata örökletes betegségekre.

A géntechnológia nemcsak a természetes vegyületek és folyamatok másolását teszi lehetővé, hanem azok módosítását, hatékonyabbá tételét is. Példa erre egy új kutatási terület, az úgynevezett protein engineering. A fehérjemolekulák aminosav-szekvenciájára és térbeli szerveződésére vonatkozó adatok alapján végzett számítások azt mutatják, hogy számos enzim molekulájában bizonyos aminosav-maradékok bizonyos szubsztitúcióival ezek enzimatikus aktivitása jelentősen megnőhet. Egy specifikus enzim szintézisét kódoló izolált génben bizonyos nukleotidok szigorúan ellenőrzött helyettesítése géntechnológiai módszerekkel történik. Az ilyen módosított gén szabályozása alatti enzimatikus fehérje szintézise során a polipeptidláncban szigorúan meghatározott aminosavak előre tervezett cseréje történik, ami az enzimaktivitás többszörös növekedését okozza a természetes prototípus aktivitásához képest. .

A mezőgazdaság területén a géntechnológia várhatóan nagyban hozzájárul majd az új, nagy hozamú, szárazság-, betegség- és kártevő-ellenálló növényfajták kiválasztásához, valamint új, nagy termőképességű mezőgazdasági fajták kifejlesztéséhez. állatokat.

Mint a tudomány minden vívmánya, a géntechnológia sikerei nemcsak az emberiség javára, hanem kárára is felhasználhatók. Speciálisan végzett vizsgálatok kimutatták, hogy a rekombináns DNS ellenőrizetlen terjedésének veszélye nem olyan nagy, mint korábban gondolták. A rekombináns DNS és az azokat hordozó baktériumok nagyon instabilnak bizonyultak a környezeti hatásokkal szemben, és nem életképesek az emberi és állati szervezetben. Ismeretes, hogy a természetben és emberi beavatkozás nélkül is léteznek olyan körülmények, amelyek biztosítják a genetikai információ aktív cseréjét, ez az ún. génáramlás. A természet azonban számos hatékony akadályt teremtett az idegen genetikai információ behatolásának a szervezetbe. Ma már nyilvánvaló, hogy amikor a legtöbb rekombináns DNS-molekulával dolgozunk, teljesen elegendőek a szokásos óvintézkedések, amelyeket például a mikrobiológusok alkalmaznak, amikor fertőző anyagokkal dolgoznak. Speciális esetekre hatékony módszereket dolgoztak ki mind a biológiai védelmére, mind a kísérleti objektumok embertől és környezettől való fizikai izolálására. Ezért a rekombináns DNS-sel való munkavégzés szabályainak nagyon szigorú első változatait felülvizsgálták és jelentősen felpuhították. Ami a géntechnológiai vívmányok szándékos felhasználását az emberek károsítására illeti, a tudósoknak és a közvéleménynek is aktívan küzdenie kell azért, hogy ez a veszély csak elméletileg lehetséges maradjon.

Lásd még: Biotechnológia.

Bibliográfia: Alikhanyan S.I. A géntechnológia előrehaladása és kilátásai, Genetics, 12. kötet, Jvft 7, p. 150, 1976, bibliogr.; AlikhanyanS. I. és munkatársai Működő rekombináns (hibrid) DNS-molekulák előállítása, in vitro, ugyanott, I. kötet, 11. o. 34, 1975, bibliogr.; Baev A. A. Génsebészet, Természet, M1, p. 8, 1976; Tikhomirova L. P. et al. Az X fág és a ColEl plazmid hibrid DNS-molekulái, Dokl. Szovjetunió Tudományos Akadémia, 223. évf., 4. o. 995, 1975, bibliogr.; Barna D. D. a. S t e r n R. Methods of gene izolation, Ann. Fordulat. Biochem., v. 43. o. 667, 1974, bibliogr.; C h a n g A. C. Y. a. o. Egér mitokondriális DNS vizsgálata Escherichia coliban, Cell, v. 6. o. 231, 1975, bibliogr.; Hedgpeth J., Goodman H. M. a. B o y e r H. W. DNS nukleotid szekvencia, amelyet az R1 endonukleáz korlátoz, Proc. nat. Acad. Sci. (Mos.), v. 69. o. 3448, 1972, bibliogr.; Hershfield V. a. o. A ColEl plazmid mint molekuláris hordozó a DNS klónozására és amplifikálására, uo., v. 71. o. 3455, 1974; Holnap J. F. a. o. Az eukarióta DNS replikációja és transzkripciója Escherichia coliban, uo., p. 1743; T e m i n H. M. a. Mizu-t ani S. RNS-függő DNS polimeráz Rous sarcoma vírus virionjaiban, Nature (Lond.), v. 226. o. 1211, 1970.

Biotechnológia, szerk. A. A. Baeva, M., 1984; B kb h - kb in N. P., Zakharov A. F. and Ivanov V. I. Medical genetics, M., 1984; M a n i a-tis G., FritschE. és Sambrook J. Géntechnológiai módszerek. Molekuláris klónozás, transz. angolból, M., 1984; A n t o n a r a k i s S. E. a. o. A humán globin génklaszterek DNS-polimorfizmusa és molekuláris patológiája, Hum. Genet., v. 69. o. 1, 1985; Beaudet A. L. Klónozott humán és más kiválasztott DNS-ek bibliográfiája, Amer. J. hum. Genet., v. 37. o. 386, 1985; V o t s t e i n D. a. o. Genetikai kapcsolódási térkép készítése emberben restrikciós fragmentumhosszúságú polimorfizmusok felhasználásával, uo., v. 32. o. 314, 1980; G u s e 1 1 a J. E. a. o. DNS-markerek idegrendszeri betegségekre, Science, v. 225. o. 1320, 1984; Motulsky A. G. A genetikai manipuláció hatása a társadalomra és az orvostudományra, uo., v. 219. o. 135, 1983; Fehér R. a. o. A cisztás fibrózis szorosan összefüggő genetikai markere, Nature (Lond.), v. 318. o. 382, 1985; Wo o S. L. C., L i d s k y A. S. a. Guttler F. A klasszikus fenilketonuria prenatális diagnosztikája géntérképezéssel, J. Amer. med. assz., v. 251. o. 1998, 1984.

L. S. Csernyin, V. N. Kalinin.

Enciklopédiai YouTube

• 1 / 5

  A géntechnológia arra szolgál, hogy a megváltoztatható vagy genetikailag módosított szervezet kívánt tulajdonságait megszerezzük. Ellentétben a hagyományos szelekcióval, amely során a genotípus csak közvetve változik, a génsebészet lehetővé teszi a közvetlen beavatkozást a genetikai apparátusba a molekuláris klónozás technikájával. A génsebészet alkalmazására példaként említhető új, géntechnológiával módosított gabonanövényfajták előállítása, humán inzulin előállítása génmódosított baktériumok felhasználásával, eritropoetin előállítása sejtkultúrában vagy új kísérleti egérfajták tudományos kutatás céljából.

  A mikrobiológiai, bioszintetikus ipar alapja a baktériumsejt. Az ipari termeléshez szükséges sejteket bizonyos jellemzők szerint választják ki, amelyek közül a legfontosabb az, hogy egy adott vegyületet - aminosavat vagy antibiotikumot, szteroid hormont vagy szerves savat - a lehető legnagyobb mennyiségben képesek előállítani, szintetizálni. . Néha szükség van egy mikroorganizmusra, amely képes például olajat vagy szennyvizet „élelmiszerként” felhasználni, és biomasszává vagy akár takarmány-adalékanyagnak megfelelő fehérjévé feldolgozni. Néha szükségünk van olyan organizmusokra, amelyek magas hőmérsékleten vagy olyan anyagok jelenlétében fejlődhetnek, amelyek más típusú mikroorganizmusokra nézve biztosan halálosak.

  Az ilyen ipari törzsek előállítása nagyon fontos módosításukhoz és szelekciójukhoz, számos módszert fejlesztettek ki a sejt aktív befolyásolására - az erős mérgekkel való kezeléstől a radioaktív besugárzásig. Ezeknek a technikáknak a célja az, hogy változásokat érjenek el a sejt örökletes, genetikai berendezésében. Eredményük számos mutáns mikroba termelése, amelyek közül több száz és ezer közül a tudósok megpróbálják kiválasztani az adott célra legmegfelelőbbet. A kémiai vagy sugárzási mutagenezis technikáinak megalkotása kiemelkedő eredmény volt a biológiában, és széles körben alkalmazzák a modern biotechnológiában.

  De képességeiket maguk a mikroorganizmusok természete korlátozza. Nem képesek számos értékes anyagot szintetizálni, amelyek a növényekben, elsősorban a gyógy- és illóolajos növényekben halmozódnak fel. Nem tudnak szintetizálni az állatok és az emberek élete szempontjából nagyon fontos anyagokat, számos enzimet, peptidhormonokat, immunfehérjéket, interferonokat és sok egyszerűbb vegyületet, amelyek az állatok és az emberek szervezetében szintetizálódnak. Természetesen a mikroorganizmusok lehetőségei korántsem merültek ki. A mikroorganizmusok teljes mennyiségének csak egy kis részét használta fel a tudomány, és különösen az ipar. A mikroorganizmusok szelekciója szempontjából nagy érdeklődésre tartanak számot például az oxigénhiányban is élő anaerob baktériumok, a fényenergiát használó fototrófok, mint a növények, a kemoautotrófok, a termofil baktériumok, amelyek hőmérsékleten is képesek élni, ahogy azt nemrég felfedezték, kb. 110°C stb.

  Pedig a „természetes anyag” korlátai nyilvánvalóak. A korlátozásokat a növények és állatok sejt- és szövettenyészeteinek segítségével próbálták és próbálják megkerülni. Ez egy nagyon fontos és ígéretes út, amely a biotechnológiában is megvalósul. Az elmúlt néhány évtizedben a tudósok olyan módszereket fejlesztettek ki, amelyek segítségével egy növény vagy állat egyes szövetsejtjei a szervezettől elkülönítve növekedhetnek és szaporodhatnak, mint a baktériumsejtek. Ez fontos eredmény volt - az így létrejött sejttenyészeteket kísérletekre és bizonyos anyagok ipari előállítására használják fel, amelyeket nem lehet baktériumtenyészetekkel előállítani.

  A kutatás másik iránya a fehérjék kódolásához és az élőlények működéséhez szükségtelen gének eltávolítása a DNS-ből, valamint az ilyen DNS-en alapuló „csonka génkészlettel” rendelkező mesterséges organizmusok létrehozása. Ez lehetővé teszi a módosított szervezetek vírusokkal szembeni rezisztenciájának drámai növelését.

  Fejlődéstörténet és elért technológiai szint

  A 20. század második felében számos fontos felfedezés és találmány született, amelyek ennek hátterében állnak géntechnológia. A génekben „beírt” biológiai információk „beolvasására” irányuló sokéves kísérletek sikeresen befejeződtek. Ezt a munkát Frederick Sanger angol és Walter Gilbert amerikai tudós indította el (kémiai Nobel-díj 1980). Mint ismeretes, a gének információs utasításokat tartalmaznak az RNS-molekulák és fehérjék, köztük az enzimek szintéziséhez a szervezetben. Ahhoz, hogy egy sejtet új, számára szokatlan anyagok szintézisére kényszerítsünk, szükséges, hogy a megfelelő enzimkészletek szintetizálódjanak benne. És ehhez vagy szándékosan módosítani kell a benne található géneket, vagy új, korábban hiányzó géneket kell bevinni. Az élő sejtekben a gének változásai mutációk. Például mutagén – vegyi mérgek vagy sugárzás – hatása alatt fordulnak elő. De az ilyen változásokat nem lehet irányítani vagy irányítani. Ezért a tudósok erőfeszítéseiket arra összpontosították, hogy olyan módszereket dolgozzanak ki, amelyek segítségével új, nagyon specifikus, az ember számára szükséges géneket juttathatnak be a sejtekbe.

  A géntechnológiai probléma megoldásának fő szakaszai a következők:

  1. Izolált gén beszerzése.
  2. Gén bejuttatása vektorba a szervezetbe történő átvitel céljából.
  3. Gént tartalmazó vektor átvitele a módosított szervezetbe.
  4. A testsejtek átalakulása.
  5. A géntechnológiával módosított szervezetek kiválasztása ( 2. A gén bejuttatása egy vektorba a szervezetbe történő átvitel céljából.), és ki kell küszöbölni azokat, amelyeket nem sikerült módosítani.

  A génszintézis folyamata mára nagyon jól fejlett, sőt nagyrészt automatizált. Vannak speciális számítógépekkel felszerelt eszközök, amelyek memóriájában különféle nukleotid szekvenciák szintézisére szolgáló programok tárolódnak. Ez a berendezés 100-120 nitrogénbázis hosszúságú DNS-szegmenseket (oligonukleotidokat) szintetizál. Széles körben elterjedt egy olyan technika, amely lehetővé teszi a polimeráz láncreakció felhasználását DNS szintetizálására, beleértve a mutáns DNS-t is. Templát DNS-szintézishez hőstabil enzimet, a DNS-polimerázt használnak benne, amelyhez mesterségesen szintetizált nukleinsavdarabokat - oligonukleotidokat - használnak magokként. A reverz transzkriptáz enzim lehetővé teszi az ilyen primerek használatával DNS szintetizálását a sejtekből izolált RNS templátán. Az így szintetizált DNS-t komplementer DNS-nek (RNS) vagy cDNS-nek nevezik. Egy izolált, "kémiailag tiszta" gén a fágkönyvtárból is beszerezhető. Ez egy bakteriofág készítmény neve, amelynek genomjába véletlenszerű fragmensek épülnek be a genomból vagy a cDNS-ből, amelyeket a fág az összes DNS-ével együtt reprodukál.

  A gének baktériumokba való bejuttatásának technikáját azután fejlesztették ki, hogy Frederick Griffith felfedezte a bakteriális átalakulás jelenségét. Ez a jelenség egy primitív szexuális folyamaton alapul, amely a baktériumokban a nem kromoszómális DNS kis fragmentumainak, plazmidjainak cseréjével jár együtt. A plazmid technológiák képezték az alapot a mesterséges gének baktériumsejtekbe való bejuttatásához.

  Jelentős nehézségeket okoztak egy kész génnek a növényi és állati sejtek örökletes apparátusába történő bejuttatása. A természetben azonban előfordulnak olyan esetek, amikor idegen DNS (vírus vagy bakteriofág) bekerül a sejt genetikai apparátusába, és metabolikus mechanizmusai segítségével elkezdi szintetizálni „fehérjét”. A tudósok tanulmányozták az idegen DNS bejuttatásának jellemzőit, és elvként használták a genetikai anyag sejtbe történő bejuttatására. Ezt a folyamatot transzfekciónak nevezik.

  Ha az egysejtű szervezetek vagy többsejtű sejtkultúrák módosításnak vannak kitéve, akkor ebben a szakaszban kezdődik a klónozás, vagyis azon szervezetek és leszármazottaik (klónjaik) szelekciója, amelyek módosultak. Ha többsejtű szervezetek beszerzése a feladat, akkor a megváltozott genotípusú sejteket a növények vegetatív szaporítására használják, vagy a helyettesítő anya blasztocisztáiba juttatják be, ha állatokról van szó. Ennek eredményeként a kölykök megváltozott vagy változatlan genotípussal születnek, amelyek közül csak azokat választják ki és keresztezik egymással, amelyek a várt változásokat mutatják.

  Alkalmazás a tudományos kutatásban

  Bár kis léptékben, a géntechnológiát már alkalmazzák arra, hogy bizonyos típusú meddőségben szenvedő nőknek esélyt adjanak a teherbeesésre. Erre a célra egészséges nők tojásait használják. Ennek eredményeként a gyermek egy apától és két anyától örökli a genotípust.

  Az emberi genom jelentősebb megváltoztatásának lehetősége azonban számos komoly etikai problémával szembesül. 2016-ban az Egyesült Államokban tudósok egy csoportja engedélyt kapott egy olyan rákkezelési módszer klinikai vizsgálatára, amely a páciens saját immunsejtjeit használja, és CRISPR / Cas9 technológiával genetikai módosításnak vetették alá.

  Sejtmérnökség

  A sejttechnológia olyan növényi és állati sejtek és szövetek termesztésén alapul, amelyek képesek az ember számára szükséges anyagokat a szervezeten kívül előállítani. Ezt a módszert értékes növényi formák klonális (ivartalan) szaporítására használják; hibrid sejtek előállítása, amelyek egyesítik például a vér limfociták és a tumorsejtek tulajdonságait, ami lehetővé teszi az antitestek gyors kinyerését.

  Géntechnológia Oroszországban

  Meg kell jegyezni, hogy a GMO-k állami nyilvántartásba vételének bevezetése után észrevehetően megnőtt egyes állami szervezetek és az Állami Duma egyes képviselőinek tevékenysége, akik megpróbálták megakadályozni az innovatív biotechnológiák bevezetését az orosz mezőgazdaságban. Több mint 350 orosz tudós írta alá a Tudományos Dolgozók Társaságának nyílt levelét az Orosz Föderációban a géntechnológia fejlesztésének támogatására. A nyílt levél megjegyzi, hogy a GMO-k betiltása Oroszországban nemcsak az egészséges mezőgazdasági versenyt károsítja, hanem az élelmiszer-előállítási technológiák jelentős lemaradását, az élelmiszerimporttól való fokozott függőséget, és aláássa Oroszország mint állam presztízsét. amelyben hivatalosan is bejelentették az innovatív fejlesztés felé vezető utat [ a tény jelentősége? ] .

  Lásd még

  Megjegyzések

  1. Sándor Pancsin Isten legyőzése // Népszerű mechanika. - 2017. - 3. szám - P. 32-35. - URL: http://www.popmech.ru/magazine/2017/173-issue/
  2. In vivo genom szerkesztés egy nagy hatékonyságú TALEN rendszer segítségével(angol) . Természet. Letöltve: 2017. január 10.
  3. Elemek – Tudományos Hírek: Színvakságból génterápia segítségével gyógyultak meg a majmok (meghatározatlan) (2009. szeptember 18.). Letöltve: 2017. január 10.
  
  
  Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete