Методы генной инженерии кратко егэ

Хромосомная и генная инженерия. ГМО

Ключевые слова: хромосомная инженерия, генная инженерия, рестрикционные эндонуклеазы (рестриктазы); липкие концы; плазмиды; метод рекомбинантных плазмид; рестрикция, лигирование, трансформация, скрининг; трансгенные (генетически модифицированные) организмы, ГМО.
Раздел ЕГЭ: 3.9. Биотехнология, ее направления. Клеточная и генная инженерия, клонирование.

Учёные издавна мечтали целенаправленно изменять наследственность организмов, создавать новые комбинации хозяйственно ценных признаков. Современные исследователи приблизились к осуществлению этой мечты, овладев методами выделения из клеток хромосом, генов и их переноса в клетки другого организма. Осуществляет подобные эксперименты хромосомная и генная инженерия — перспективные направления биотехнологии.

Хромосомная инженерия

Манипуляции с целыми хромосомами или их участками называют хромосомной инженерией. Её методы дают возможность заменить одну или обе гомологичные хромосомы на другие или ввести дополнительные хромосомы в генотип организма.

Метод добавления хромосом в геном детально разработан на культурных злаках. Так, японский учёный Д. Омара внёс отдельные хромосомы ржи в хромосомный набор пшеницы. Полученный гибрид дал при самоопылении совершенно иные растения, которые отличались от пшеницы по высоте, толщине стебля, размеру и форме колосьев. Привнесённые хромосомы ржи дали возможность существенно повысить зимостойкость гибридной пшеницы, придали ей устойчивость к полеганию и к заболеваниям.

Генная инженерия

Генная инженерия решает задачу целенаправленного создания новых комбинаций генетического материала путём лабораторных методов in vitro, которые позволяют манипулировать нуклеиновыми кислотами, переносить нужные гены организма одного вида в организм другого вида.

Генная инженерия зародилась в начале 70-х гг. XX в., когда американский учёный X. Корана искусственно синтезировал ген, а П. Лобан и П. Берг получили рекомбинантную молекулу ДНК, в которой были соединены фрагменты ДНК вирусов и бактерии кишечной палочки (Escherichia coli). Генная инженерия возникла на стыке молекулярной биологии, микробиологии и энзимологии. Открытия в молекулярной биологии позволили выяснить структуру и особенности работы генов. Микробиология помогла найти векторы для генно-инженерных работ — плазмиды — внехромосомные факторы наследственности бактерий, состоящие из небольших кольцевых молекул ДНК. Энзимология предоставила исследователям ферменты, называемые рестрикционными эндонуклеазами или рестриктазами (от лат. restricts — ограничение), которые способны «узнавать» определённые последовательности нуклеотидов в ДНК и разрезать их так, чтобы на концах молекул образовывались одноцепочечные «хвосты». Эти «хвосты» могут снова по принципу комплементарности соединяться друг с другом, поэтому они были названы липкими концами.

В генной инженерии бактериальные клетки с новым генетическим материалом создают с помощью метода рекомбинантных плазмид. Он включает несколько последовательных этапов.

1. Рестрикция — разрезание молекулы ДНК, например клетки млекопитающего, ферментами-рекстриктазами на фрагменты с одинаковыми липкими концами и нужным геном. Такими же ферментами разрезают плазмидную ДНК, поэтому липкие концы плазмиды комплементарны нуклеотидным последовательностям липких концов гена. Ген можно синтезировать также искусственным путём с помощью матричных реакций. Такой синтез осуществляют с помощью фермента обратной транскриптазы, или ревертазы.
2. Лигирование — «вшивание» гена с липкими концами в плазмидную ДНК с помощью ферментов-лигаз и получение рекомбинантной плазмиды.
3. Трансформация — введение рекомбинантной плазмиды в бактериальную клетку. Для этого на клетку воздействуют высокой температурой и хлористым кальцием, что делает её оболочку проницаемой для ДНК. Внесённая в бактериальную клетку рекомбинантная плазмида начинает работать, и клетка синтезирует чужеродный белок. Частота попадания плазмиды в клетку невысока (в одну клетку из тысячи). Рекомбинантная плазмида в бактериальной клетке многократно удваивается, и чужеродный ген размножается, происходит его клонирование, т. е. передача от материнской клетки дочерним при бесполом размножении. От каждой бактериальной клетки образуется колония, состоящая из миллионов бактерий, которые подвергаются отбору — скринингу.
4. Скрининг — отбор колоний бактерий, содержащих рекомбинантные плазмиды с нужным геном. Для этого все колонии накрывают специальным фильтром, к которому они прилипают. Затем фильтр обрабатывают радиоактивным зондом — полинуклеотидом, содержащим в своём составе радиоактивный изотоп фосфора — ³²Р. Радиоактивный зонд комплементарен искомому гену, поэтому он связывается лишь с теми колониями бактерий, у которых имеются рекомбинантные плазмиды. Для их обнаружения на фильтр накладывают рентгеновскую плёнку, которую потом проявляют. По положению засвеченных на плёнке участков отбирают те колонии, которые получили нужный ген.

Методом рекомбинантных плазмид учёные создают штаммы бактерий, которые используются для производства в промышленном масштабе гормонов (инсулина, соматотропина), ферментов, белков-интерферонов, регуляторных пептидов и др. Этот же метод лежит в основе получения вакцин для борьбы с вирусами гепатита А и В, герпеса, гриппа, бешенства и ящура.

Создание трансгенных организмов (ГМО)

Клонированные гены путём микроинъекций могут быть введены в яйцеклетки, а из них выращены целые организмы, геном которых будет содержать чужеродные гены. Такие особи называют трансгенными (от лат. trans — сквозь, через) или генетически модифицированными организмами (ГМО).

В 1983 г. были получены первые трансгенные организмы — культурные растения табака и петуньи. Эти работы проводились учёными одновременно в Бельгии, Германии и США. Первой ГМО-культурой, коммерциализированной в Китае в 1992 году, стал табак, а первой ГМО-культурой, коммерциализированной в США в 1994 году, был томат FLAVR SAVR, разработанный для продления срока его хранения и минимизации размягчения фруктов. Этот томат не оправдал ожиданий, и его производитель прекратил продажи. С 1992 по 2020 год 41 страна пробовала выращивать ГМО-культуры. В настоящее время 28 стран ежегодно выращивают почти 200 млн га генетически модифицированных растений, что примерно в 113 раз больше, чем в 1996 году, когда их было 1,7 млн га. Биотехнологические культуры — это самая быстроразвивающаяся технология в истории современного сельского хозяйства.

Учёные создают трансгенные организмы с целью проявления у них новых хозяйственно ценных признаков. Например, при встраивании гена бактерии тюрингской бациллы (Bacillus thuringiensis), ответственного за выработку δ-эндотоксина, в генотип культурного картофеля получены так называемые Bt-растения картофеля (от названия вида бактерии), ядовитые для растительноядных насекомых, но безвредные для других животных и человека. Так был найден эффективный и экологически безопасный способ защиты культурного картофеля от его вредителя — колорадского жука.

(с) Genetic Literacy Project. Внедрение 22 различных культур в 41 странах мира с помощью трансгенеза, редактирования генов или других новых методов селекции (не все страны, которые ввели генетически модифицированные культуры за последние 28 лет, все еще выращивают их)

Получены трансгенные растения, устойчивые к гербицидам — ядам, применяемым для борьбы с сорняками. В настоящее время использование гербицидов сопряжено с рядом трудностей: универсальных препаратов не существует, т. е. каждый гербицид действует на определённые сорняки; гербициды накапливаются в почве, что угнетает развитие культурных растений и небезопасно для человека. Получение гербицидоустойчивых трансгенных культур стало выходом из сложившейся ситуации. Так, в клетки табака «вшили» гены бактерии сальмонеллы, обеспечивающие устойчивость к глифосату — наиболее часто используемому гербициду. Трансгенный табак стал невосприимчивым к этому препарату, кроме того, содержание глифосата в почве при выращивании такой генетически модифицированной культуры существенно снизилось. В настоящее время получение гербицидоустойчивых трансгенных культурных растений считается важным практическим достижением биотехнологии. В 1997 г. устойчивая к глифосату соя была признана в США сельскохозяйственным продуктом года.

Предприняты попытки создания методами генной инженерии азотфиксирующих растений. Если удастся встроить в генотип сельскохозяйственных культур ген, отвечающий за выработку ферментов, превращающих у клубеньковых бактерий из рода Rhizobium атмосферный азот в азотистые соединения, то выращиваемые на полях сельскохозяйственные растения смогут обойтись без дополнительной подкормки азотными удобрениями.

Велико потенциальное значение трансгенных организмов для здоровья человека. Так, введение гена моркови в генотип риса уже сейчас обеспечивает потребность жителей Юго-Восточной Азии в витамине А, необходимом для нормального роста и зрения. Встраивание генов, отвечающих за выработку антител, в генотипы сельскохозяйственных растений позволит человеку в будущем обойтись без многих лекарств. При постоянном использовании таких растений в пищу организм будет получать достаточное количество антител, что создаст надёжную защиту от инфекционных болезней.

Важной задачей генной инженерии является создание трансгенных животных. На трансгенных лабораторных мышах учёные моделируют развитие и течение различных генетических болезней человека, проводят испытания лекарственных препаратов. Созданы трансгенные овцы, генотип которых содержит ген, отвечающий за синтез особого белка — фактора свёртываемости крови IX. Этот белок, вырабатываемый клетками молочной железы, выделяется из овечьего молока и используется для лечения больных гемофилией. Раньше подобный белок получали только из донорской крови. Использовать для этого трансгенных животных безопаснее, так как у них нет вирусов, например ВИЧ и гепатита, которые могут встречаться в донорской крови.

Это конспект по биологии для 10-11 классов по теме «Хромосомная и генная инженерия». Выберите дальнейшее действие:

• Вернуться к Списку конспектов по Биологии.
• Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по биологии

Селекция

Селекция — отбор и создание новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с нужными человеку свойствами.

Породы животных, сорта растений, штаммы микроорганизмов — это совокупности особей, созданные человеком и обладающие какими-либо ценными для него качествами. Теоретической основой селекции является генетика.

Основные методы селекции

Отбор

В селекции действует естественный и искусственный отбор. Искусственный отбор бывает бессознательным и методическим.
Бессознательный отбор заключается в сохранении человеком лучших особей для разведения и употреблении в пищу худших без сознательного намерения вывести более совершенную породу или сорт.
Методический отбор осознанно направлен на выведение нового сорта или породы с желаемыми качествами.
В процессе селекции наряду с искусственным отбором не прекращает своего действия и естественный отбор, который повышает приспособляемость организмов к условиям окружающей среды.

Сравнительная характеристика естественного и искусственного отбора

Массовый отбор — выделение из исходного материала целой группы особей с желательными признаками и получение от них потомства.
Индивидуальный отбор — выделение отдельных особей с желательными признаками и получение от них потомства.

Массовый отбор чаще применяют в селекции растений, а индивидуальный — в селекции животных, что связано с особенностями размножения растений и животных.

Гибридизация

Методом отбора нельзя получить новые генотипы. Для создания новых благоприятных комбинаций признаков (генотипов) применяют гибридизацию. Различают внутривидовую и межвидовую (отдалённую) гибридизацию.

Внутривидовая гибридизация — скрещивание особей одного вида. Применяют близкородственное скрещивание и скрещивание неродственных особей.

Близкородственное скрещивание (инбридинг) (например, самоопыление у растений) ведёт к повышению гомозиготности, что, с одной стороны, способствует закреплению наследственных свойств, но с другой — ведёт к снижению жизнеспособности, продуктивности и вырождению.
Скрещивание неродственных особей (аутбридинг) позволяет получить гетерозисные гибриды. Если сначала вывести гомозиготные линии, закрепив желательные признаки, а затем провести перекрёстное опыление между разными самоопыляющимися линиями, то в результате в ряде случаев появляются высокоурожайные гибриды. Явление повышенной урожайности и жизнеспособности у гибридов первого поколения, полученных при скрещивании родителей чистых линий, называется гетерозисом. Основная причина эффекта гетерозиса — отсутствие проявления вредных рецессивных аллелей в гетерозиготном состоянии. Однако уже со второго поколения эффект гетерозиса быстро снижается.

Межвидовая (отдалённая) гибридизация — скрещивание разных видов.

Используется для получения гибридов, сочетающих ценные свойства родительских форм (тритикале — гибрид пшеницы и ржи, мул — гибрид кобылы с ослом, лошак — гибрид коня с ослицей). Обычно отдалённые гибриды бесплодны, так как хромосомы родительских видов отличаются настолько, что невозможен процесс конъюгации, в результате чего нарушается мейоз. Преодолеть бесплодие у отдалённых гибридов растений удаётся с помощью полиплоидии. Восстановление плодовитости у гибридов животных более сложная задача, так как получение полиплоидов у животных невозможно.

Полиплоидия

Полиплоидия — увеличение числа хромосомных наборов.

Полиплоидия позволяет избежать бесплодия межвидовых гибридов. Кроме того, многие полиплоидные сорта культурных растений (пшеница, картофель) имеют более высокую урожайность, чем родственные диплоидные виды. В основе явления полиплоидии лежат три причины: удвоение хромосом в неделящихся клетках, слияние соматических клеток или их ядер, нарушение процесса мейоза с образованием гамет с нередуцированным (двойным) набором хромосом. Искусственно полиплоидию вызывают обработкой семян или проростков растений колхицином. Колхицин разрушает нити веретена деления и препятствует расхождению гомологичных хромосом в процессе мейоза.

Индуцированный мутагенез

В естественных условиях частота возникновения мутаций сравнительно невелика. Поэтому в селекции используется индуцированный (искусственно вызванный) мутагенез — воздействие на организм в условиях эксперимента каким-либо мутагенным фактором для возникновения мутации с целью изучения влияния фактора на живой организм или получения нового признака. Мутации носят ненаправленный характер, поэтому селекционер сам отбирает организмы с новыми полезными свойствами.

Клеточная и генная инженерия

Биотехнология — методы и приёмы получения полезных для человека продуктов и явлений с помощью живых организмов (бактерий, дрожжей и др.). Биотехнология открывает новые возможности для селекции. Её основные направления: микробиологический синтез, генная и клеточная инженерия.
Микробиологический синтез — использование микроорганизмов для получения белков, ферментов, органических кислот, лекарственных препаратов и других веществ. Благодаря селекции удалось вывести микроорганизмы, которые вырабатывают нужные человеку вещества в количествах, в десятки, сотни и тысячи раз превышающих потребности самих микроорганизмов. С помощью микроорганизмов получают лизин (аминокислоту, не образующуюся в организме животных; её добавляют в растительную пищу), органические кислоты (уксусную, лимонную, молочную и др.), витамины, антибиотики и т. д.
Клеточная инженерия — выращивание клеток вне организма на специальных питательных средах, где они растут и размножаются, образуя культуру ткани. Из клеток животных нельзя вырастить организм, а из растительных клеток можно. Так получают и размножают ценные сорта растений. Клеточная инженерия позволяет проводить гибридизацию (слияние) как половых, так и соматических клеток. Гибридизация половых клеток позволяет проводить оплодотворение «в пробирке» и имплантацию оплодотворённой яйцеклетки в материнский организм. Гибридизация соматических клеток делает возможным создание новых сортов растений, обладающих полезными признаками и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды.
Генная инженерия — искусственная перестройка генома. Позволяет встраивать в геном организма одного вида гены другого вида. Так, введя в генотип кишечной палочки соответствующий ген человека, получают гормон инсулин. В настоящее время человечество вступило в эпоху конструирования генотипов клеток.

Селекция растений, животных и микроорганизмов

Селекция растений Для селекционера очень важно знать свойства исходного материала, используемого в селекции. В этом плане очень важны два достижения отечественного селекционера Н. И. Вавилова: закон гомологических рядов в наследственной изменчивости и учение о центрах происхождения культурных растений.
Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: виды и роды, генетически близкие (связанные друг с другом единством происхождения), характеризуются сходными рядами в наследственной изменчивости. Так, например, у мягкой и твёрдой пшеницы и ячменя существуют остистые, короткоостые и безостые колосья. Зная наследственные изменения у одного вида, можно предвидеть нахождение сходных изменений у родственных видов и родов, что используется в селекции. Чем ближе между собой виды и роды, тем больше сходство в изменчивости их признаков. Н. И. Вавиловым закон был сформулирован применительно к растениям, а позднее подтверждён для животных и микроорганизмов.
В селекции растений наиболее широко используются такие методы, как массовый отбор, внутривидовая гибридизация, отдалённая гибридизация, полиплоидия.
Большой вклад в селекцию плодовых растений внёс отечественный селекционер И. В. Мичурин. На основе методов межсортовой и межвидовой гибридизации, отбора и воздействия условиями среды им были созданы многие сорта плодовых культур. Благодаря его работам многие южные сорта плодовых культур удалось распространить в средней полосе нашей страны.
Многие сорта культурных растений являются полиплоидными. Таковы некоторые сорта пшеницы, ржи, клевера, картофеля, свёклы и т. д. Сочетание отдалённой гибридизации с последующим получением полиплоидных форм позволило преодолеть бесплодие отдалённых гибридов. В результате многолетних работ Н. В. Цицина и его сотрудников были получены гибриды пырея и пшеницы, пшеницы и ржи (тритикале).
К наиболее важным достижениям селекции растений следует отнести создание большого количества высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных растений.

Селекция животных

Как и культурные растения, домашние животные имеют диких предков. Процесс превращения диких животных в домашних называют одомашниванием (доместикацией). Почти все домашние животные относятся к высшим позвоночным животным — птицам и млекопитающим.
В селекции животных наиболее широко используются такие методы, как индивидуальный отбор, внутривидовая гибридизация (родственное и неродственное скрещивание) и отдалённая (межвидовая) гибридизация.
Использование индивидуального отбора связано с половым размножением животных, когда получить сразу много потомков затруднительно. В связи с этим селекционеру важно определить наследственные признаки самцов, которые непосредственно у них не проявляются (жирномолочность, яйценоскость). Поэтому оценка животных может быть осуществлена по их родословной и по качеству их потомства. Имеет определённое значение также учёт экстерьера, то есть совокупности внешних признаков животного. Подбор производителей в животноводстве особенно актуален в связи с применением в настоящее время искусственного осеменения, позволяющего получить от одного организма значительное число потомков. Родственное скрещивание ведёт к гомозиготности и чаще всего сопровождается уменьшением устойчивости животных к неблагоприятным факторам среды, снижением плодовитости и т. п. Для устранения неблагоприятных последствий используют неродственное скрещивание разных линий и пород. На основе межпородного скрещивания были созданы высокопродуктивные сельскохозяйственные животные (в частности М. Ф. Иванов создал высокопродуктивную породу свиней Белая украинская, породу овец Асканийская рамбулье). Неродственное скрещивание сопровождается гетерозисом, сущность которого состоит в том, что гибриды первого поколения имеют повышенную жизнеспособность и усиленное развитие. Примером эффективного использования гетерозиса служит выведение гибридных цыплят (бройлерное производство).
Отдалённая (межвидовая) гибридизация животных приводит к бесплодию гибридов. Но благодаря проявлению гетерозиса широко используется человеком. Среди достижений по отдалённой гибридизации животных следует отметить мула — гибрида кобылы с ослом, бестера — гибрида белуги и стерляди, продуктивного гибрида карпа и карася, гибридов крупного рогатого скота с яками и зебу, отдалённых гибридов свиней и т. д.

Селекция микроорганизмов

К микроорганизмам относятся прокариоты — бактерии, сине-зелёные водоросли; эукариоты — грибы, микроскопические водоросли, простейшие.
В селекции микроорганизмов наиболее широко используются индуцированный мутагенез и последующий отбор групп генетически идентичных клеток (клонов), методы клеточной и генной инженерии.
Деятельность микроорганизмов используют в промышленности, сельском хозяйстве, медицине. Ферментативную активность микроорганизмов (грибов и бактерий) используют в производстве молочных продуктов, хлебопечении, виноделии и др. С помощью микроорганизмов получают аминокислоты, белки, ферменты, спирты, полисахариды, антибиотики, витамины, гормоны, интерферон и пр.
Выведены штаммы бактерий, способные разрушать нефтепродукты, что позволит использовать их для очистки окружающей среды. Ведутся работы по перенесению генетического материала азотфиксирующих микроорганизмов в геном почвенных бактерий, которые этими генами не обладают, а также непосредственно в геном растений. Это позволит избавиться от необходимости производить огромное количество азотных удобрений.

В настоящее время
в центр молекулярной генетики становятся
методы генетической инженерии, с помощью
которых осуществляется целенаправленное
изменение генетических свойств
организмов. Генетическая инженерия –
область молекулярной биологии и генетики,
которая ставит перед собой задачи
конструирования генетических структур
по ранее намеченному плану, создание
организмов с новой генетической
программой. Генно-инженерные исследования
вносят уникальный вклад в изучение
структурно-функциональной организации
геномов различных организмов. Методология
генной инженерии постоянно совершенствуется,
и все больше исследователей используют
ее при решении самых разных задач
биологической науки.

Возможности,
открываемые генетической инженерией
перед человечеством, как в области
фундаментальной науки, так и во многих
других областях, весьма велики и нередко
даже революционны. Так, она позволяет
осуществлять индустриальное массовое
производство нужных белков, значительно
облегчает технологические процессы
для получения продуктов ферментации –
энзимов и аминокислот, в будущем может
применяться для улучшения растений и
животных, а также для лечения наследственных
болезней человека.

Особенно большие
возможности генетическая инженерия
открывает перед медициной и фармацевтикой,
поскольку ее применение может привести
к коренным преобразованиям медицины.
Многие болезни, для которых в настоящее
время не существует адекватных методов
диагностики и лечения (раковые,
сердечнососудистые, вирусные и паразитные
инфекции, нервные и умственные
расстройства), с помощью генетической
инженерии станут доступны и диагностике,
и лечению.

В основу
генно-инженерных методов заложена
способность ферментов рестриктаз
расщеплять ДНК на отдельные нуклеотидные
последовательности, которые могут быть
использованы для встраивания их в гены
бактериальных клеток с целью получения
гибридных или химерных форм, эти гибридные
формы состоят из собственной ДНК и
дополнительно встроенных фрагментов
несвойственной им ДНК. Поэтому методами
генетической инженерии добиваются
клонирования генов. Клонирование ДНК
– это получение ее генетически идентичных
колоний.

Генетическая
инженерия подразделяется на генную,
геномную и хромосомную.

Сущность первой
(генной) состоит в целенаправленном
использовании перестроек естественного
генома, для изменения генетических
характеристик известных вирусов и
клеток. В качестве примера можно привести
перемещение в вирусные геномы некоторых
клеточных генов, придающих вирусам
свойства онкогенности.

Сущность геномной
инженерии заключается в целенаправленной
глубокой перестройке генома прокариот
вплоть до создания новых видов. При
геномной инженерии вносят большое
количество дополнительной генетической
информации и получают гибридный организм,
который отличается от исходного по
многим признакам.

Хромосомная
инженерия – сеть генетической инженерии,
объектами ее является хромосомы клеток
высших и низших микроорганизмов
(прокариоты, эукариоты), благодаря
хромосомной инженерии стало возможным
лечение наследственных заболеваний,
селекция пород животных, различных
видов растений.

Возможности генной
инженерии

Родившись в начале
70-х годов, генетическая инженерия
добилась сегодня больших успехов. Ее
методы преобразуют клетки бактерий,
дрожжей и млекопитающих в «фабрики»
для масштабного производства любого
белка. Это дает возможность детально
анализировать структуру и функции
белков и использовать их в качестве
лекарственных средств.

В настоящее время
кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком
таких важных гормонов как инсулин и
соматотропин. Ранее инсулин получали
из клеток поджелудочной железы животных,
поэтому стоимость его была очень высока.
В 1978 году исследователи из компании
«Genetec» впервые получили инсулин в
специально сконструированном штамме
кишечной палочки. Было показано, что он
не содержит белков E. coli, эндотоксинов
и других примесей, не дает побочных
эффектов, как инсулин животных, а по
биологической активности от него не
отличается.

Соматотропин –
гормон роста человека. Недостаток этого
гормона приводит к карликовости. Если
вводить соматотропин в дозах 10 мг на кг
веса три раза в неделю, то за год ребенок,
страдающий от его недостатка, может
подрасти на 6 см. Ранее его получали из
трупного материала, из одного трупа:
4–6 мг соматотропина в пересчете на
конечный фармацевтический препарат.
Таким образом, доступные количества
гормона были ограничены, кроме того,
гормон, получаемый этим способом, был
неоднороден и мог содержать медленно
развивающиеся вирусы. Компания «Genetec»
в 1980 году разработала технологию
производства соматотропина с помощью
бактерий, который был лишен перечисленных
недостатков. В 1982 году гормон роста
человека был получен в культуре E. coli и
животных клеток в институте Пастера во
Франции, а с 1984 года начато промышленное
производство инсулина и в СССР.

На технологии
рекомбинантных ДНК основано получение
высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью
которых изучают экспрессию генов в
тканях, локализацию генов в хромосомах,
выявляют гены, обладающие родственными
функциями (например, у человека и курицы).
ДНК-зонды также используются в диагностике
различных заболеваний.

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

Если гибридную
ДНК ввести в оплодотворенное яйцеклетку,
могут быть получены трансгенные
организмы, экспрессирующие мутантный
ген и передающие его потомками.
Генетическая трансформация животных
позволяет установить роль отдельных
генов и их белковых продуктов, как в
регуляции активности других генов, так
и при различных патологических процессах.
С помощью генетической инженерии созданы
линии животных, устойчивых к вирусным
заболеваниям, а также породы животных
с полезными для человека признаками.
Например, микроинъекция рекомбинантной
ДНК, содержавшей ген соматотропина
быка, в зиготу кролика позволила получить
трансгенное животное с гиперпродукцией
этого гормона. Сейчас даже трудно
предсказать все возможности, которые
будут реализованы в ближайшие несколько
десятков лет.

Задачи генной
инженерии

Основные направления
генетической модификации организмов:

– придание
устойчивости к ядохимикатам (например,
к определенным гербицидам);

– придание
устойчивости к вредителям и болезням
(например, Bt-модификация);

– повышение
продуктивности (например, быстрый рост
трансгенного лосося);

– придание особых
качеств (например, изменение химического
состава).

Методы генной
инженерии

Методы генной
инженерии основаны на получении
фрагментов исходной ДНК и их модификации.

Для получения
исходных фрагментов ДНК разных организмов
используется несколько способов:

– Получение
фрагментов ДНК из природного материала
путем разрезания исходной ДНК с помощью
специфических нуклеаз (рестриктаз).

– Прямой химический
синтез ДНК, например, для создания зондов

– Синтез
комплементарной ДНК (кДНК) на матрице
мРНК с использованием фермента обратной
транскриптазы (ревертазы).

Выделенные участки
ДНК встраивают в векторы переноса ДНК.
Векторы ДНК – это небольшие молекулы
ДНК, способные проникать в другие клетки
и реплицироваться в них.

В состав вектора
ДНК входит не менее трех групп генов:

1. Целевые гены,
которые интересуют экспериментатора.

2. Гены, отвечающие
за репликацию вектора, его интеграцию
в ДНК клетки-хозяина и экспрессию
требуемых генов.

3. Гены-маркеры
(селективные, репортерные гены), по
деятельности которых можно судить об
успешности трансформации (например,
гены устойчивости к антибиотикам или
гены, отвечающие за синтез белков,
светящихся в ультрафиолетовом свете).

Для внедрения
векторов в прокариотические или
эукариотические клетки используют
различные способы:

1. Биотрансформация.
Используются векторы, способные сами
проникать в клетки. Частным случаем
биотрансформации является агробактериальная
трансформация.

2. Микроинъекции.
Используются, если клетки, подлежащие
трансформации, достаточно крупные
(например, икринки, пыльцевые трубки).

3. Биобаллистика
(биолистика). Векторы «вбивают» в клетки
с помощью специальных «пушек».

В качестве векторов
часто используют плазмиды (кольцевые
молекулы ДНК прокариотических клеток),
а также ДНК вирусов. У эукариот в качестве
векторов используют мобильные генетические
элементы – участки хромосом, способные
образовывать множество копий и
встраиваться в другие хромосомы. В
составе одного вектора можно комбинировать
различные фрагменты ДНК (различные
гены). Вновь образованные фрагменты ДНК
называют рекомбинантными.

Векторы переноса
ДНК вместе с внедренными фрагментами
ДНК различными способами вводят в
прокариотические или эукариотические
клетки и получают трансгенные клетки.
В ходе размножения трансгенных клеток
происходит клонирование требуемых
фрагментов ДНК, в частности, отдельных
генов. Клонированные гены эукариот
подвергают различным модификациям
(например, добавляют перед ними
определенные промоторы) и внедряют в
клетки-продуценты. Основная проблема
состоит в том, чтобы чужеродные гены
экспрессировались постоянно, то есть
должен происходить синтез необходимых
веществ без ущерба для клетки–хозяина.

Практические
достижения современной генной инженерии
заключаются в следующем:

– Созданы банки
генов, или клонотеки, представляющие
собой коллекции клонов бактерий. Каждый
из этих клонов содержит фрагменты ДНК
определенного организма (дрозофилы,
человека и других).

– На основе
трансформированных штаммов вирусов,
бактерий и дрожжей осуществляется
промышленное производство инсулина,
интерферона, гормональных препаратов.
На стадии испытаний находится производство
белков, позволяющих сохранить
свертываемость крови при гемофилии, и
других лекарственных препаратов.

– Созданы трансгенные
высшие организмы (многие растения,
некоторые рыбы и млекопитающие) в клетках
которых успешно функционируют гены
совершенно других организмов. Широко
известны генетически защищенные
генно-модифицированные растения (ГМР),
устойчивые к высоких дозам определенных
гербицидов, а также Bt-модифицированные
растения, устойчивые к вредителям.

Соседние файлы в предмете Биология

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Методы клеточной инженерии (получение соматических гибридов)

1.      Соматическая гибридизация — это гибридизация, проведенная между протопластами, которые выделены из растительных соматических клеток. Для получения пригодных для гибридизации протопластов необходимо разрушить внешнюю оболочку клетки специальными ферментами.

2.      Так был получен, например, помидофель (томтато) — гибрид томата и картофеля, у которого, как и положено родительским растениям, в земле находятся клубни (картофель), а на стеблях плоды (помидоры).

3.      В результате гибридизации соматических клеток можно, во-первых, соединить в ядре гены растений, не имеющих близкого родства, во-вторых, слить цитоплазматические гены партнеров в гибридной клетке.

4.      На питательной среде из гибридной растительной клетки можно выращивать клеточную массу — каллюс (или каллус), которая потом дифференцируются в обычное растение, имеющее все органы. Этот гибрид можно высадить в почву и стремительно размножать привычным образом.

Использование соматических мутаций

1.      Эти мутации применяют в селекции растений, которые размножаются вегетативно. Такой вид размножения позволяет сберечь полезную соматическую мутацию, размножить любую гетерозиготную форму, которая имеет полезные для сельского хозяйства признаки.

2.      Лишь вегетативное размножение позволяет сохранять свойства большого ряда плодово-ягодных культур. Дело в том, что в ходе полового размножения сорта, состоящие из гетерозигот, не сохраняют свои свойства, идет их расщепление.

Методы генной инженерии

1.      Бактерия Bacillus thuringiensis нарабатывает эндотоксин
(белок). Если бактерия оказывается в желудке насекомого, который вредит посевам, белок вызывает разрушение (лизис) желудочных стенок, вследствие чего насекомое гибнет.

2.      В клетки растений исследователи ввели ген, который отвечает за синтез эндотоксина. Оказалось, что если на эти растения запустить гусениц тех самых вредных насекомых, то «доверчивые» гусеницы наедаются листвы, содержащей токсин, и гибнут. Удивительно, но белок смертельно опасен лишь для насекомых, он не оказывает влияния на желудки других животных и человека.

3.      Так удалось вывести устойчивые к сельхозвредителям формы томата, картофеля, рапса, табака. Можно сказать, что это одно из первых важнейших практических достижений генной инженерии в селекции растений.

Методы селекции растений, открытые И. В. Мичуриным

1.      Шесть десятков лет крупнейший русский биолог Иван Владимирович Мичурин отдал селекции растений. На первых этапах деятельности он намеревался добиться акклиматизации южных сортов в северных широтах. К сожалению, растения вымерзали, и тогда ученый начал разрабатывать методы селекции.

2.      База Мичурина — сочетание тройки ведущих методов: отбор, гибридизация, воздействие различных условий окружающей среды на гибриды.

3.      Отбор форм для гибридизации велся Мичуриным тщательно. Он производил скрещивание южных изнеженных сортов с «закаленными» северными, затем отбирал лучшие сеянцы и помещал их в достаточно суровые условия для «воспитания стойкости». Так удалось вывести, например, сорт яблок Славянка, гибрид неприхотливой северной Антоновки и южного гостя Ранета ананасного.

4.      Мичурин много экспериментировал с сортами, произрастающими в разных регионах и не присущих тому месту, где он работал (город Козлов, сейчас Мичуринск). Так биолог вывел в 1908 году поздний, очень плодовитый сорт яблок Бельфлёр-китайка — от яблони Китайки крупноплодной, растущей в Сибири, и «американца» Бельфлёра желтого.

5.      Также Мичурин трудился над созданием отдаленных гибридов — он скрестил, например, малину с ежевикой, рябину с боярышником.

Для устранения негативных последствий отдаленной гибридизации Иван Владимирович Мичурин использовал следующие приемы:

1.      Метод вегетативного сближения. Он заключался в предварительной прививке одного вида на другой. В результате меняется химический состав тканей растения, включая генеративные органы. Это повышает вероятность прорастания в пестике пыльцевых трубок. Именно так удалось создать гибрид груши и рябины.

2.      Опыление пыльцевой смесью для стимуляции прорастания пыльцевых трубок. «Своя» пыльца «дразнит» рыльце пестика, который начинает воспринимать и «чужую» пыльцу как «свою». Этим способом выведены гибриды яблони и груши, черемухи и вишни (цепарадус).

3.      Метод посредника. Сначала Мичурин скрестил дикий персик Давида с диким миндалем, получив гибрид — миндаль Посредник. Затем Посредник был скрещен с культурным сортом персика. В результате получен морозоустойчивый «северный персик».

Скачать материал

Скачать материал

в условии
в решении
в тексте к заданию
в атрибутах

Категория:

Атрибут:

Всего: 110    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …

Добавить в вариант

Всего: 110    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …