GENTEKNOLOGI(syn. genteknologi) - en forskningsretning inden for molekylærbiologi og genetik, hvis endelige mål er at opnå, ved hjælp af laboratorieteknikker, organismer med nye, herunder dem, der ikke findes i naturen, kombinationer af arvelige egenskaber. I hjertet af G. og. ligger muligheden for målrettet manipulation med fragmenter af nukleinsyrer på grund af de seneste resultater inden for molekylærbiologi og genetik. Disse resultater omfatter etableringen af ​​universaliteten af ​​den genetiske kode (se), dvs. det faktum, at inklusion af de samme aminosyrer i et proteinmolekyle i alle levende organismer er kodet af de samme nukleotidsekvenser i DNA-kæden; succeserne med genetisk enzymologi, som forsynede forskeren med et sæt enzymer, der gør det muligt at opnå individuelle gener eller fragmenter af nukleinsyre i isoleret form, udføre in vitro-syntese af fragmenter af nukleinsyre og kombinere de resulterende fragmenter til en enkelt helhed. Således ændrer kroppens arvelige egenskaber ved hjælp af G. og. handler om at konstruere nyt genetisk materiale fra forskellige fragmenter, at indføre dette materiale i modtagerorganismen, skabe betingelser for dets funktion og stabile arv.

En af måderne at opnå gener på er kemisk. syntese. Efter A. Holli i USA, A. A. Baev i USSR og andre forskere formåede at dechifrere strukturen af ​​forskellige transport-RBHA'er (tRNA'er), udførte X. Korana et al. syntese af DNA, der koder for bagegær alanin tRNA.

Men den mest effektive metode til kunstig gensyntese er forbundet med brugen af ​​enzymet RNA-afhængig DNA-polymerase (revers transkriptase), opdaget af D. Baltimore og H. Temin i onkogene vira (se). Dette enzym blev isoleret og oprenset fra celler inficeret med visse RNA-holdige onkogene vira, herunder aviær myeloblastosevirus, Rous sarcoma virus og murin leukæmivirus. Revers transkriptase sikrer DNA-syntese på en messenger RNA (mRNA) skabelon. Brugen af ​​mRNA-molekyler som skabeloner til DNA-syntese letter i høj grad den kunstige syntese af individuelle strukturelle gener fra højere organismer, da sekvensen af ​​nitrogenholdige baser i et mRNA-molekyle er en nøjagtig kopi af sekvensen af ​​nitrogenholdige baser af de tilsvarende strukturelle gener, og Teknikken til at isolere forskellige mRNA-molekyler er ret veludviklet. Fremskridt i isoleringen af ​​globinprotein-mRNA, som er en del af hæmoglobinet hos mennesker, dyr og fugle, øjenlinseprotein-mRNA, immunoglobin-mRNA og mRNA fra et specifikt protein fra en malign tumor (myelom), har gjort det muligt vha. revers transkriptase for at syntetisere den strukturelle del af generne, der koder for nogle af disse proteiner.

Men i kroppen fungerer strukturelle gener sammen med regulatoriske gener, hvis nukleotidsekvens ikke reproduceres af et mRNA-molekyle. Derfor tillader ingen af ​​disse metoder syntesen af ​​et sæt af strukturelle og regulatoriske gener. En løsning på dette problem blev mulig efter udviklingen af ​​metoder til isolering af individuelle gener. For at isolere bakterielle gener anvendes små DNA-holdige cytoplasmatiske strukturer, der kan replikere (se Replikation) uafhængigt af det bakterielle kromosom. Disse strukturer danner en enkelt gruppe af ekstrakromosomale genetiske elementer af bakterier - plasmider (se Plasmider). Nogle af dem kan inkorporeres i det bakterielle kromosom og derefter spontant eller under påvirkning af inducerende midler, f.eks. UV-bestråling, bevæger sig fra kromosomet ind i cytoplasmaet og tager de tilstødende kromosomale gener fra værtscellerne med sig. Ekstrakromosomale genetiske elementer af bakterier, der har sådanne egenskaber, kaldes episomer [F. Jacob, Wollman (E. Wollman)]. Episomer (se) omfatter tempererede fager (se Bakteriofag), bakteriers kønsfaktor, faktorer for lægemiddelresistens hos mikroorganismer (se), bakteriocinogene faktorer (se). I cytoplasmaet replikeres gener fanget af episomer i dem og danner ofte flere kopier. Udviklingen af ​​en effektiv metode til isolering af plasmider, især tempererede fager, der bærer det genetiske materiale af det bakterielle kromosom og isolering af et fragment af kromosomet af en bakteriecelle inkluderet i bakteriofaggenomet tilladt i 1969 J. Beckwith et al., at isolere laktoseoperonen - en gruppe gener, der styrer de synteseenzymer, der er nødvendige for absorptionen af ​​laktose af E. coli. En lignende teknik blev brugt til at isolere og oprense genet, der kontrollerer syntesen af ​​tyrosinoverførsels-RNA fra Escherichia coli (se Ribonukleinsyrer).

Brugen af ​​plasmider gør det muligt at opnå næsten alle bakteriegener i isoleret form, og derfor evnen til at konstruere DNA-molekyler fra forskellige kilder. Sådanne hybridstrukturer kan akkumuleres i celler i betydelige mængder, da mange plasmider under visse betingelser replikeres intensivt i bakteriers cytoplasma og danner titusinder, hundreder og endda tusindvis af kopier.

Succes af G. og. er forbundet med udviklingen af ​​teknikker til at kombinere genetiske strukturer fra forskellige kilder i ét DNA-molekyle. Afgørende i konstruktionen af ​​hybridmolekyler in vitro var brugen af ​​restriktionsendonukleaser - specielle enzymer, der er i stand til at skære DNA-molekyler i strengt definerede områder. Sådanne enzymer blev fundet i Escherichia coli-celler, der bærer type R-plasmider, som bestemmer bakteriel resistens over for visse lægemidler, i cellerne i Haemophilus influenzae, Serratia marcescens og andre mikroorganismer. Et af de mest almindeligt anvendte enzymer af denne type er restriktionsendonukleasen EcoRI, syntetiseret af RI-plasmidet i E. coli-celler. Enzymet genkender et DNA-snit med en unik sekvens på seks nukleotidpar og skærer den dobbeltstrengede DNA-struktur i dette afsnit, så der dannes enkeltstrengede ender af fire nukleotider (såkaldte klæbrige ender) på begge sider. Da enzymet skærer DNA-molekyler, uanset deres oprindelse, på en nøje defineret måde, vil alle DNA-fragmenter dannet som følge af enzymets virkning have de samme klæbrige ender. De komplementære klæbrige ender af ethvert DNA-fragment er forenet af hydrogenbindinger, der danner et hybridt cirkulært DNA (fig.). For at stabilisere hybrid-DNA-molekylet bruges et andet enzym - polynukleotidligase, som genopretter kovalente bindinger, der er brudt af restriktionsenzymet. Sekvensen, der specifikt genkendes af EcoRI, forekommer i DNA ikke oftere end efter 4000-16.000 basepar. Følgelig kan DNA-fragmentet dannet under virkningen af ​​EcoRI omfatte mindst ét ​​gen, der ikke er beskadiget af enzymet (et gen indeholder i gennemsnit 1000-1500 nukleotidpar).

Anvendelsen af ​​restriktionsendonukleaser og en række andre enzymer gør det muligt at opnå kompleks rekombinant DNA. En gruppe forskere i USA under ledelse af P. Berg formåede at kombinere genetisk information fra tre kilder til ét DNA-molekyle: det komplette genom (se) af det onkogene simianvirus SV40, en del af genomet af den tempererede bakteriofag λ og en gruppe af E. coli gener, der er ansvarlige for assimileringen af ​​galactose. Det konstruerede rekombinante molekyle blev ikke testet for funktionel aktivitet, fordi forfatterne af dette arbejde stod over for den potentielle fare for spredning af onkogene dyrevira til populationen af ​​bakterier, der lever i den menneskelige tarm. Det er kendt, at oprenset viralt DNA kan trænge ind i forskellige pattedyrceller og nedarves stabilt af dem.

For første gang blev funktionelt aktive hybrid-DNA-molekyler konstrueret i USA af S. Cohen et al. Cohens gruppe løste konsekvent problemet med pooling og kloning (selektiv akkumulering) af DNA-molekyler isoleret fra arter, der i stigende grad fjernede hinanden i fylogenetiske termer. Kloningsproceduren består normalt af fragmentering af DNA fra forskellige kilder ved hjælp af restriktionsendonukleaser, hvorefter disse fragmenter kombineres in vitro til en fælles struktur og introduceres i modtagerorganismen, som i Cohens forsøg er Escherichia coli. Det er blevet fastslået, at celler af flere typer bakterier (herunder Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus) kan transformeres (se Transformation) ved hjælp af rekombinante DNA-molekyler. I dette tilfælde fungerer plasmiddelen af ​​hybridmolekylet (eller et af plasmiderne, hvis to plasmider fra forskellige kilder kombineres i hybridmolekylet) som en vektor, dvs. det sikrer overførslen af ​​fylogenetisk fremmed genetisk materiale til modtagerceller og dens reproduktion i dem. Det første plasmid anvendt af Cohen et al som vektor var plasmidet pSC101, som han opnåede in vitro, som kontrollerer bakteriel resistens over for tetracyclin. Dette lille plasmid består af kun 8000 basepar. Det angribes af EcoRI-enzymet på kun ét sted, og enzymet skader ikke plasmidets evne til efterfølgende at replikere i E. coli-celler og kontrollere tetracyclinresistens. Disse funktioner gjorde det muligt at bruge det til in vitro-konstruktion af hybride DNA-molekyler. I de første trin blev plasmid-DNA isoleret fra forskellige typer bakterier og derefter fra højere organismer knyttet til pSC101. Der blev således skabt "kimære" plasmider (dvs. ikke i stand til at opstå under naturlige forhold), der i deres sammensætning kombinerede det genetiske materiale fra E. coli, en sektion af DNA fra oocytterne fra den kløvede frø Xenopus laevis, som styrer syntesen af ribosomalt RNA, og et afsnit af DNA fra et søpindsvin, som styrer syntesen af ​​histonproteiner eller muse-mitokondrie-DNA. I E. coli-celler, hvori sådanne hybride, "kimære" plasmider blev indført, blev funktionen af ​​gener fra højere organismer registreret.

I modsætning til pSC101, som kun er til stede i 4-6 kopier i cellen, kan nogle andre plasmider, der anvendes som vektorer, under visse betingelser replikere flere gange og producere flere tusinde kopier i en enkelt celle. Sådanne egenskaber besidder f.eks. ColEI-plasmidet, som styrer syntesen af ​​colicin (se Bakteriocinogeni). Ligesom pSC101 skæres ColEI af EcoRI-enzymet på kun ét sted, og fremmed DNA, også behandlet med EcoRI, bindes let til det resulterende lineære molekyle med klæbrige ender. Det var således muligt at "linke" generne fra tryptofanoperonen fra Escherichia coli til ColEI. I celler, der bærer flere kopier af det konstruerede hybridplasmid, steg produktionen af ​​enzymproteiner styret af tryptophanbiosyntese-gener kraftigt. I et in vitro-system var det muligt at binde ColEI-plasmidet til visse R-faktorer og en tempereret fag. Lignende arbejde blev først udført i USSR under ledelse af akademiker A. A. Baev og professor S. I. Alikhanyan. Kombinerede vektorplasmider dannet af ColEI- og R-faktorer er i stand til intensivt at formere sig i bakterieceller, som ColEI, og samtidig bestemme celleresistens over for antibiotika, hvilket i høj grad forenkler udvælgelsen af ​​bakterier, der bærer hybridplasmider.

Tempererede fager bruges også som vektorer. I in vitro-systemet blev hybridbakteriofagpartikler konstrueret, som i deres struktur inkluderede bakterielle gener, DNA fra andre fager eller højere organismer (for eksempel DNA fra Drosophila-frugtfluen).

Den funktionelle aktivitet af hybrid-DNA bestemmes af muligheden for deres overførsel til cellerne fra modtagerorganismer og efterfølgende multiplikation (amplifikation) i disse celler. Ikke kun bakterier, som nævnt ovenfor, men også celler fra højere organismer bliver allerede effektivt brugt som recipienter, dog indtil videre kun i form af en vævskultur dyrket uden for kroppen. Der er indikationer på, at DNA fra fager, der bærer bakteriegener, kan trænge ind i menneskelige bindevævsceller (fibroblaster), protoplaster eller en udifferentieret kultur (callus) af planteceller. I 1971, Amer. forsker S. R. Merril et al. rapporterede om eksperimenter til at korrigere den arvelige defekt - galaktosæmi (se) ved at introducere galactosegener fra bakterier inkluderet i den transducerende fags DNA i de "syge" celler. Som et resultat heraf genoprettede celler fra en patient med galactosæmi, defekt i enzymet beta-D-galactose-1-phosphat-uridyltransferase og ude af stand til at metabolisere galactose, deres normale evne til at vokse i nærvær af galactose, og tidligere fraværende enzymatisk aktivitet blev registreret i deres uddrag. Et lignende resultat blev opnået af J. Horst et al., når de introducerede et bakterielt gen, der kontrollerer syntesen af ​​beta-galactosidase i fibroblaster hos en patient med generaliseret gangliosidose, karakteriseret ved alvorlig mangel på dette enzym. Munyon (W. Munyon) og hans medarbejdere. ved hjælp af en herpesvirus overførte de genet, der styrer syntesen af ​​thymidinkinase, fra humane celler til museceller, hvilket genoprettede evnen hos defekte musefibroblaster til at syntetisere dette enzym.

En af måderne til at overføre genetisk information i kulturen af ​​menneske-, dyre- og planteceller er hybridiseringen af ​​somatiske celler, udviklet af Ephrussi og G. Barski. Effektiviteten af ​​denne metode blev stærkt forbedret af opdagelsen af, at inaktiverede Sendai parainfluenzaviruspartikler øgede hyppigheden af ​​cellefusion fra en række forskellige kilder. Muligheden for at overføre individuelle gener fra isolerede kinesiske hamsterkromosomer til musebindevævsceller er blevet påvist. Hybrider af menneske- og museceller er blevet beskrevet, hvor en del af de menneskelige kromosomer fjernes, og en del forbliver funktionelt aktiv. Udviklingen af ​​cellemikrokirurgiske metoder har gjort det muligt at transplantere cellekerner fra somatiske celler til befrugtede æg og som følge heraf opnå helt identiske organismer. Cellehybridisering gjorde det muligt at inducere syntesen af ​​humant globin i frøens kønsceller. Alle disse eksempler demonstrerer de potentielle muligheder hos G. og.

Praktisk betydning af G. og. for medicin er forbundet med mulighederne for at korrigere arvelige metaboliske defekter hos mennesker (se Genterapi), skabe mikroorganismer, der har mistet deres patogenicitet, men bevare evnen til at danne immunitet, syntese af antibiotika, aminosyrer, hormoner, vitaminer, enzymer, immunoglobuliner osv., baseret på brug af mikroorganismer, der har omfattet de tilsvarende gener. Enestående resultater kan opnås i den nærmeste fremtid af G. og. planter. Ved at bruge G.s metoder og. De forsøger at skabe planter, der kan optage atmosfærisk nitrogen og forbedre proteinsammensætningen i planteføde. En vellykket løsning af disse problemer vil dramatisk øge planteproduktiviteten, reducere produktionen og forbruget af mineralsk kvælstof og derved forbedre miljøet væsentligt (se). Muligheden for at skabe helt nye former for dyr og planter ved at overvinde interspecifikke barrierer for krydsning undersøges. Men ved vurderingen af ​​G. og. Som en ny form for udforskning af den levende natur bør man ikke kun tage hensyn til dens mulige revolutionære rolle inden for biologi, medicin og landbrug, men også muligheden for fremkomsten af ​​nye former for patogene mikroorganismer, der opstår i forbindelse med dens udvikling, faren. af spredningen af ​​hybrid-DNA i populationer af bakterier, der lever i mennesker, som bærer onkogene vira osv. Selvfølgelig er bevidst brug af videnskabelige resultater, herunder G.I., til umenneskelige, misantropiske formål kun mulig i et samfund, hvor menneskets bedste er ofret for profit og aggression.

Fra yderligere materialer

Genteknologi er fortsat en hastigt fremadskridende forskningsmetode inden for molekylærbiologi og genetik. Det skal bemærkes, at begreberne "genteknologi" og "genteknologi" ikke er fuldstændigt synonyme, da forskning relateret til genteknologi ikke kun er begrænset til manipulation af gener som sådan. I øjeblikket gør genteknologiske metoder det muligt at udføre den mest dybdegående og detaljerede analyse af naturlige nukleinsyrer - stoffer, der er ansvarlige for lagring, transmission og implementering af genetisk information (se nukleinsyrer.), samt at skabe modificerede eller helt nye, der ikke findes i naturens gener (se Gen), kombinationer af gener og udtrykker dem med høj effektivitet i en levende celle (se Genekspression). Af de specifikke praktiske resultater af genteknologi i det sidste årti, bør den vigtigste være skabelsen af ​​producenter af biologisk aktive proteiner - insulin (se), interferon (se), væksthormon (se Somatotropt hormon) osv. som udviklingen af ​​gensplejsningsmetoder aktivering af de forbindelser af stofskifte, som er forbundet med dannelsen af ​​lavmolekylære biologisk aktive stoffer. På denne måde opnåedes producenter af visse antibiotika, aminosyrer og vitaminer, mange gange mere effektive end producenter af disse stoffer, der er opdrættet ved traditionelle metoder til genetik og selektion. Der udvikles metoder til at opnå rene proteinvacciner mod hepatitis, influenza, herpes og mund- og klovsygevirus; ideen om at bruge vaccination med vacciniavirus er implementeret, hvis genom indeholder gener, der koder for syntesen af ​​proteiner af andre vira (f.eks. hepatitis eller influenzavirus): som et resultat af vaccination med en virus, der er konstrueret på denne måde, udvikler kroppen immunitet ikke kun mod kopper, men også mod hepatitis, influenza eller anden sygdom forårsaget af denne virus, proteinet hvoraf er kodet af det indbyggede gen.

Verdenssamlingen af ​​restriktionsendonukleaser, restriktionsenzymer, de vigtigste "værktøjer" til genteknologiske manipulationer, er vokset betydeligt. Der er blevet isoleret mere end 400 restriktionsenzymer, der "genkender" ca. 100 strukturelt forskellige specifikke regioner (sites) i DNA-molekyler (se Deoxyribonukleinsyrer) og spaltning af polynukleotidkæden af ​​DNA på disse steder. Ved at bruge et sådant enzym eller en kombination af flere restriktionsenzymer kan næsten ethvert gen isoleres fra et eller flere DNA-fragmenter (såkaldte restriktionsfragmenter). Dette har udvidet mulighederne for genteknologi ikke kun i forhold til at isolere gener, men også i forhold til at aktivere deres arbejde, analysere genernes struktur og deres molekylære miljø. Der er udviklet metoder til syntese af hele gener med en given nukleotidsekvens; det er blevet muligt at forsyne syntetiserede og naturlige gener med forskellige regulatoriske nukleotidsekvenser, erstatte, indsætte, slette enkelte nukleotider i strengt definerede dele af genet, forkorte eller komplettere dens nukleotidkæde med en nøjagtighed på ét nukleotid.

Opnåelsen af ​​genteknologi var dens indtrængen i organiseringen og funktionen af ​​arvelighedsmekanismerne for celler fra højere organismer, herunder mennesker. Det er på højere eukaryoter, at de mest interessante data er opnået ved hjælp af genteknologiske metoder. Succeserne med genteknologi er i høj grad forbundet med produktionen af ​​nye specialiserede vektorer, der gør det muligt effektivt at klone (reproducere) individuelle DNA-fragmenter (gener) og syntetisere proteiner kodet af disse gener.

Restriktionsfragmenter knyttet til DNA-vektorer klones ind i en levende celle, idet man drager fordel af sådanne vektorers evne til at reproducere (replikere) i cellen i flere kopier. Afhængigt af størrelsen af ​​de fragmenter, der skal klones, og formålet med undersøgelsen, anvendes vektorer af én af fire typer - plasmider (se), fager (se Bakteriofag), cosmider eller derivater af fager med enkeltstrenget DNA.

For at klone relativt små DNA-fragmenter (op til 10 tusinde basepar) anvendes plasmidvektorer (pBR322, pAT 153, pUR250, pUC19, etc.). En præstation af gensplejsning i de senere år har været produktionen af ​​vektorer baseret på fag X (Charon 4A, gtwes-B), hvor en del af genomet er erstattet af et fragment af fremmed DNA. Hybridgenomet er kunstigt "pakket" ind i en proteinskal, og bakterier inficeres med denne rekonstruerede fag. Ved at danne flere tusinde kopier under reproduktion i en celle lyserer den rekonstruerede fag den og frigives til dyrkningsmediet. Ved anvendelse af sådanne vektorer klones DNA-fragmenter på 10-25 tusinde basepar lange.

Cosmidvektorer (pIB8, MUA-3) er en hybrid af fag X og et plasmid. De indeholder de såkaldte. COS-sekvenser af fag-DNA, nødvendige for at pakke fag-genomer ind i en proteinskal, og en sektion af plasmid-DNA, der tillader cosmidvektorer at replikere i bakterier på samme måde som plasmider gør. Det resulterende rekombinante genom inficerer således bakterier med høj effektivitet som en bakteriofag, men formerer sig i dem som et plasmid uden at forårsage bakteriecellens død. Cosmider bruges til kloning af DNA-fragmenter op til 35-45 tusinde basepar i længden.

Vektorer, som er derivater af fager med enkeltstrenget DNA (M13 mp8, M13, mp73 osv.), er konstrueret baseret på det cirkulære DNA-molekyle af bakteriofag M13. For at integrere fremmed DNA anvendes et replikativt dobbeltstrenget fag-DNA-molekyle. En vektor, der bærer en fremmed DIC, indføres i bakterieceller, hvor de rekombinante molekyler formerer sig uden at lysere cellen og "knopper" ind i dyrkningsmediet som en viral partikel med et enkeltstrenget DNA-molekyle. Disse vektorer anvendes til kloning af DNA-fragmenter (op til 300-400 nukleotidpar).

Det gen, der kræves til gensplejsningsmanipulationer, opnås ved at klone de tilsvarende rekombinante DNA-molekyler og udvælge sådanne kloner. I tilfælde, hvor generne fra højere organismer og mennesker er klonet, og ekspression i E. coli (oftest brugt til sådanne formål) er umulig, udføres klonings- og udvælgelsesproceduren i flere trin. I første fase skaber de den såkaldte. et bibliotek af gener fra DNA-fragmenter (klonet direkte fra cellens genom) eller fra klonede DNA-kopier (cDNA) af det tilsvarende messenger-RNA. Ved at sammenligne strukturen af ​​genomiske DNA-fragmenter og det tilsvarende cDNA opnås vigtig information om det genetiske materiales organisering, og ved arvelige sygdomme om arten af ​​anomalierne i arvematerialet, hvis konsekvens er dette. sygdom. Fra et genbibliotek ved hjælp af moderne teknikker er det muligt at udtrække det nødvendige gen med dets omgivende genomregioner. I øjeblikket er der skabt komplette biblioteker af gener fra mange mikroorganismer, planter og dyr (inklusive pattedyr og mennesker). Flere hundrede gener og andre nukleotidsekvenser i humant DNA er allerede blevet klonet og undersøgt i en eller anden grad.

Mulighederne for genteknologisk forskning er ikke begrænset til at klone et gen og få et stort antal af dets kopier. Det er ofte nødvendigt ikke kun at klone et gen, men også at sikre dets ekspression i cellen, det vil sige at implementere informationen indeholdt i det i aminosyresekvensen af ​​polypeptidkæden af ​​proteinet kodet af dette gen. Hvis et gen indført i en bakteriecelle er opnået fra bakterier af samme (eller lignende) art, så er det tilstrækkeligt at isolere genet med regulatoriske elementer, der styrer dets ekspression. Men med undtagelse af nogle få undtagelser er regulatoriske nukleotidsekvenser af organismer, der er evolutionært fjernt fra hinanden, ikke udskiftelige. For at opnå fx ekspressionen af ​​et eukaryotisk gen i E. coli-celler fjernes den regulatoriske region fra det, og den strukturelle del af et sådant gen fæstnes (i en vis afstand) til den regulatoriske region. af bakteriegenet. Betydelige fremskridt i udviklingen af ​​denne teknik blev opnået efter opdagelsen af ​​Ba131-nukleaseenzymet, som har den unikke egenskab at hydrolysere begge strenge af et dobbeltstrenget lineært DNA-molekyle startende fra slutningen af ​​molekylet, dvs. dette enzym fjerner "ekstra ” nukleotidsekvenser af enhver længde fra enden af ​​et DNA-fragment. I øjeblikket er de strukturelle og regulatoriske regioner isoleret separat ved hjælp af disse restriktionsenzymer, hvis "genkendelses"-steder er mest succesfuldt placeret på polynukleotidkæden, derefter fjernes de "ekstra" nukleotidsekvenser, og den strukturelle region af det eukaryote gen forbindes til det regulatoriske område af bakteriegenet. På denne måde er det muligt at opnå ikke kun ekspressionen af ​​eukaryote gener i bakterieceller, men også omvendt bakterielle gener i cellerne i højere og lavere eukaryoter.

Genteknologiens succes er tæt forbundet med udvikling og forbedring af metoder til bestemmelse af sekvensen af ​​nukleotider (sekventering) i DNA-molekyler. Et betydeligt antal restriktionsenzymer til forskernes rådighed gør det muligt at isolere visse DNA-fragmenter med absolut specificitet, og udviklingen og forbedringen af ​​kloningsmetoder gør det muligt at opnå fragmenter af selv unikke gener i de mængder, der kræves til analyse. DNA-sekventeringsmetoder har vist sig at være så effektive, at der ofte, ved at bestemme sekvensen af ​​DNA-nukleotider, opnås data om sekvensen af ​​nukleotider i de tilsvarende RNA-molekyler og om sekvensen af ​​aminosyrerester i det syntetiserede proteinmolekyle. Ved behandling af DNA-sekventeringsresultater er computere meget brugt. For en mere fuldstændig og hurtig fortolkning af de opnåede eksperimentelle data, oprettes nationale og internationale computer-"banker" af nukleotidsekvenser. I øjeblikket er de komplette nukleotidsekvenser af genomerne fra en række bakterielle plasmider og vira blevet bestemt, og problemet med at bestemme de komplette nukleotidsekvenser af først individuelle kromosomer og derefter hele genomet af højere organismer, inklusive mennesker, er allerede ved at blive løst.

Ved hjælp af gensplejsningsmetoder opdagede man afvigelser i strukturen af ​​visse dele af menneskelige gener, hvilket var årsagen til arvelige sygdomme. Oftest er denne metode den såkaldte. b partianalyse. Det isolerede cellulære DNA udsættes for restriktionsenzymhydrolyse, og de resulterende fragmenter adskilles efter størrelse under anvendelse af elektroforese i agarose eller polyacrylamidgel. De separerede fragmenter overføres (“gentrykt”) på specielt behandlet kromatografipapir, nitrocellulose eller et nylonfilter og udsættes igen for elektroforetisk adskillelse. Elektroforegramområder svarende til individuelle fraktioner og indeholdende lignende DNA-fragmenter udskæres; afskårne sektioner af elektroferogrammer inkuberes med et tidligere klonet gen eller en del af det, eller med et kemisk opnået. syntese af en sekvens af nukleotider indeholdende et radioaktivt mærke. Mærket DNA binder kun til de fragmenter af det analyserede cellulære DNA, der har komplementære nukleotidsekvenser. En ændring i fordelingen og mængden af ​​et fast mærke i forhold til normen giver os mulighed for at bedømme omlejringer i det analyserede gen eller nukleotidsekvenser i nærheden.

"Genkendelses"-stederne for visse restriktionsenzymer i DNA-molekylet er placeret ujævnt, derfor, når det hydrolyseres af disse enzymer, opdeles DNA-molekylet i et antal fragmenter af varierende længde. Omstrukturering af DNA-strukturen, som et resultat af, at eksisterende områder af "genkendelse" forsvinder eller nye områder af "genkendelse" opstår, fører til en ændring i sættet af disse fragmenter (såkaldte restriktionsfragmenter), dvs. til udseendet af restriktionsfragmentlængdepolymorfi (RFR). Omlejringer i DNA-molekylet kan eller kan ikke forårsage ændringer i synteseprocessen eller i strukturen af ​​det kodede protein; omlægninger, der ikke forårsager ændringer, er de fleste, og de forårsager en normal RFLP. Det viste sig, at RFLP er en klar genetisk egenskab. I øjeblikket er RFLP-analyse blevet en af ​​de mest nøjagtige metoder, der bruges i human genetik og medicinsk genetik. For en række arvelige sygdomme er RFLP-former blevet beskrevet, som direkte indikerer tilstedeværelsen af ​​sygdommen eller transporten af ​​et patologisk ændret gen.

Genteknologi markerede begyndelsen på en ny forskningsretning, kaldet "omvendt genetik." Traditionel genetisk analyse (se) udføres i følgende rækkefølge: en egenskab udvælges, forholdet mellem egenskaben og en genetisk determinant etableres, og lokaliseringen af ​​denne determinant i forhold til de allerede kendte etableres. I "omvendt genetik" sker alt i omvendt rækkefølge: et DNA-fragment med en ukendt funktion udvælges, koblingen af ​​dette DNA-fragment med andre regioner af genomet og dets forbindelse med visse egenskaber etableres. Denne tilgang har gjort det muligt at udvikle metoder til tidlig diagnosticering og identifikation af bærere af sygdomme som Huntingtons chorea, Duchennes sygdom, cystisk fibrose, hvor den biokemiske karakter af arvelige defekter endnu ikke er kendt. Ved at bruge den genealogiske metode til at etablere mønstre for arvelig overførsel af Huntingtons chorea, blev det vist, at G8 DNA-fragmentet isoleret fra det menneskelige genom er tæt forbundet med genet, der bestemmer sygdommen, og ved at bruge RFLP-formen af ​​G8-fragmentet i en given befolkning, er det muligt at diagnosticere denne sygdom og identificere bærere af defekte gener.

Der er stadig mange tekniske vanskeligheder på vej til at introducere metoder, der anvendes i genteknologi, i medicinsk praksis. Mange laboratorier rundt om i verden udvikler aktivt praktisk egnede genteknologiske diagnostiske metoder, og man kan håbe, at sådanne metoder vil finde anvendelse i den nærmeste fremtid, hvis ikke til masse genetisk sigtning (screening) under lægeundersøgelse af befolkningen, så i det mindste for selektiv undersøgelse af højrisikogrupper for arvelige sygdomme.

Genteknologi gør det muligt ikke kun at kopiere naturlige forbindelser og processer, men også at modificere dem og gøre dem mere effektive. Et eksempel på dette er et nyt forskningsfelt kaldet protein engineering. Beregninger foretaget på basis af data om proteinmolekylers aminosyresekvens og rumlige organisering viser, at med visse substitutioner af visse aminosyrerester i molekylerne af en række enzymer er en signifikant stigning i deres enzymatiske aktivitet mulig. I et isoleret gen, der koder for syntesen af ​​et specifikt enzym, udføres strengt kontrolleret udskiftning af visse nukleotider ved hjælp af gensplejsningsmetoder. Under syntesen af ​​et enzymatisk protein under kontrol af et sådant modificeret gen sker der en forud planlagt udskiftning af strengt definerede aminosyrerester i polypeptidkæden, hvilket forårsager en stigning i enzymatisk aktivitet mange gange sammenlignet med aktiviteten af ​​den naturlige prototype .

På landbrugsområdet forventes gensplejsning at yde et væsentligt bidrag til udvælgelsen af ​​nye højtydende plantesorter, der er resistente over for tørke, sygdomme og skadedyr, samt til udviklingen af ​​nye højproduktive landbrugsracer. dyr.

Som enhver videnskabspræstation kan genteknologiens succeser ikke kun bruges til gavn, men også til skade for menneskeheden. Særligt udførte undersøgelser har vist, at faren for ukontrolleret spredning af rekombinant DNA ikke er så stor som tidligere antaget. Rekombinant DNA og de bakterier, der bærer dem, viste sig at være meget ustabile over for miljøpåvirkninger og ikke levedygtige i menneske- og dyrekroppe. Man ved, at der i naturen og uden menneskelig indgriben er forhold, der sikrer aktiv udveksling af genetisk information, dette er den såkaldte. genflow. Imidlertid har naturen skabt mange effektive barrierer for indtrængen af ​​fremmed genetisk information i kroppen. Det er nu åbenlyst, at når man arbejder med de fleste rekombinante DNA-molekyler, er de sædvanlige forholdsregler ganske tilstrækkelige, som f.eks. bruges af mikrobiologer, når de arbejder med infektiøst materiale. Til særlige tilfælde er der udviklet effektive metoder til både biologisk beskyttelse og fysisk isolering af forsøgsgenstande fra mennesker og miljø. Derfor blev de meget strenge første versioner af reglerne for arbejde med rekombinant DNA revideret og væsentligt blødgjort. Hvad angår bevidst brug af genteknologiske resultater for at skade mennesker, skal både videnskabsmænd og offentligheden aktivt kæmpe for at sikre, at denne fare kun forbliver teoretisk mulig.

Se også Bioteknologi.

Bibliografi: Alikhanyan S.I. Advances and prospects of genetic engineering, Genetics, bind 12, Jvft 7, s. 150, 1976, bibliogr.; AlikhanyanS. I. et al. Fremstilling af fungerende rekombinante (hybrid) DNA-molekyler, in vitro, samme sted, bind I, nr. 11, s. 34, 1975, bibliogr.; Baev A. A. Genteknologi, Nature, M1, s. 8, 1976; Tikhomirova L.P. et al. Hybride DNA-molekyler af fag X og plasmid ColEl, Dokl. USSR Academy of Sciences, bind 223, nr. 4, s. 995, 1975, bibliogr.; Brown D. D. a. S t e r n R. Metoder til genisolering, Ann. Rev. Biochem., v. 43, s. 667, 1974, bibliogr.; C h a n g A. C. Y. a. o. Undersøgelser af mitokondrie-DNA fra mus i Escherichia coli, Cell, v. 6, s. 231, 1975, bibliogr.; Hedgpeth J., Goodman H. M. a. B o y e r H. W. DNA-nukleotidsekvens begrænset af R1-endonukleasen, Proc. nat. Acad. Sci. (Vask.), v. 69, s. 3448, 1972, bibliogr.; Hershfield V. a. o. Plasmid ColEl som en molekylær vehikel til kloning og amplifikation af DNA, ibid., v. 71, s. 3455, 1974; Morrow J. F. a. o. Replikation og transkription af eukaryotisk DNA i Escherichia coli, ibid., s. 1743; T e m i n H. M. a. Mizu-t ani S. RNA-afhængig DNA-polymerase i virioner af Rous sarcoma-virus, Nature (Lond.), v. 226, s. 1211, 1970.

Bioteknologi, red. A. A. Baeva, M., 1984; B omkring h til omkring i N. P., Zakharov A. F. og Ivanov V. I. Medical genetics, M., 1984; M a n i a-tis G., FritschE. og Sambrook J. Genteknologiske metoder. Molekylær kloning, trans. fra English, M., 1984; A n t o n a r a k i s S. E. a. o. DNA-polymorfi og molekylær patologi af humane globin-genklynger, Hum. Genet., v. 69, s. 1, 1985; Beaudet A. L. Bibliografi over klonede humane og andre udvalgte DNA'er, Amer. J. hum. Genet., v. 37, s. 386, 1985; V o t s t e i n D. a. o. Konstruktion af et genetisk koblingskort hos mennesker ved anvendelse af restriktionsfragmentlængdepolymorfier, ibid., v. 32, s. 314, 1980; G u s e 1 1 a J. E. a. o. DNA-markører for nervesystemsygdomme, Science, v. 225, s. 1320, 1984; Motulsky A. G. Indvirkning af genetisk manipulation på samfund og medicin, ibid., v. 219, s. 135, 1983; Hvid R. a. o. En tæt forbundet genetisk markør for cystisk fibrose, Nature (Lond.), v. 318, s. 382, 1985; Wo o S. L. C., L i d s k y A. S. a. Guttler F. Prænatal diagnose af klassisk phenylketonuri ved genkortlægning, J. Amer. med. Ass., v. 251, s. 1998, 1984.

L.S. Chernin, V.N. Kalinin.

1. Muligheder for genteknologi. 4

2. Genteknologiens historie. 6

3. Genteknologi som videnskab. Genteknologiske metoder. 10

4. Anvendelsesområder for genteknologi. 12

5. Videnskabelige fakta om farerne ved genteknologi. 18

Konklusion. 22

Referencer.. 23

Introduktion

Emnet genteknologi er for nylig blevet mere og mere populært. Der er mest opmærksomhed på de negative konsekvenser, som udviklingen af ​​denne videnskabsgren kan føre til, og der gives meget lidt dækning for de fordele, som genteknologi kan medføre.

Det mest lovende anvendelsesområde er produktion af lægemidler ved hjælp af genteknologier. For nylig er det blevet muligt at opnå brugbare vacciner baseret på transgene planter. Af ikke mindre interesse er produktionen af ​​fødevarer ved hjælp af de samme teknologier.

Genteknologi er fremtidens videnskab. I øjeblikket er millioner af hektar jord over hele verden sået med transgene planter, unikke medicinske præparater og nye producenter af nyttige stoffer bliver skabt. Genteknologi vil med tiden gøre det muligt at opnå nye fremskridt inden for medicin, landbrug, fødevareindustrien og dyrehold.

Formålet med dette arbejde er at studere mulighederne, udviklingshistorien og anvendelsesområder for genteknologi.

1. Muligheder for genteknologi

En vigtig del af bioteknologien er genteknologi. Hun er født i begyndelsen af ​​70'erne og har i dag opnået stor succes. Genteknologiske teknikker transformerer bakterie-, gær- og pattedyrceller til "fabrikker" til storskalaproduktion af ethvert protein. Dette gør det muligt i detaljer at analysere strukturen og funktionerne af proteiner og bruge dem som lægemidler. I øjeblikket er Escherichia coli (E. coli) blevet leverandør af så vigtige hormoner som insulin og somatotropin. Tidligere blev insulin opnået fra animalske pancreasceller, så omkostningerne var meget høje. For at opnå 100 g krystallinsk insulin kræves 800-1000 kg bugspytkirtel, og en kirtel på en ko vejer 200 - 250 gram. Dette gjorde insulin dyrt og svært tilgængeligt for en lang række diabetikere. I 1978 producerede forskere fra Genentech for første gang insulin i en specielt konstrueret stamme af Escherichia coli. Insulin består af to polypeptidkæder A og B, 20 og 30 aminosyrer lange. Når de er forbundet med disulfidbindinger, dannes der naturligt dobbeltkædet insulin. Det har vist sig, at det ikke indeholder E. coli-proteiner, endotoksiner og andre urenheder, ikke giver bivirkninger som animalsk insulin og ikke har nogen biologisk aktivitet

er anderledes. Efterfølgende blev proinsulin syntetiseret i E. coli-celler, hvortil en DNA-kopi blev syntetiseret på en RNA-skabelon under anvendelse af revers transkriptase. Efter oprensning af det resulterende proinsulin blev det opdelt i naturligt insulin, mens stadierne af ekstraktion og isolering af hormonet blev minimeret. Fra 1000 liter dyrkningsvæske kan der opnås op til 200 gram af hormonet, hvilket svarer til mængden af ​​insulin, der udskilles fra 1600 kg af bugspytkirtlen hos en gris eller ko.

Somatotropin er et humant væksthormon, der udskilles af hypofysen. En mangel på dette hormon fører til hypofyse-dværgvækst. Hvis somatotropin administreres i doser på 10 mg pr. kg legemsvægt tre gange om ugen, kan et barn, der lider af dets mangel på et år, vokse 6 cm. Tidligere blev det opnået fra kadaverisk materiale, fra et lig: 4 - 6 mg somatotropin i form af færdigt farmaceutisk produkt. Således var de tilgængelige mængder af hormonet begrænset, desuden var hormonet opnået ved denne metode heterogent og kunne indeholde langsomt voksende vira. I 1980 udviklede Genentec-virksomheden en teknologi til fremstilling af somatotropin ved hjælp af bakterier, som var blottet for disse ulemper. I 1982 blev humant væksthormon opnået i kultur af E. coli og dyreceller på Pasteur Institute i Frankrig, og i 1984 begyndte industriel produktion af insulin i USSR. Ved produktionen af ​​interferon anvendes både E. coli, S. cerevisae (gær) og en kultur af fibroblaster eller transformerede leukocytter. Sikre og billige vacciner opnås også ved hjælp af lignende metoder.

Rekombinant DNA-teknologi er baseret på produktion af meget specifikke DNA-prober, som bruges til at studere ekspressionen af ​​gener i væv, lokaliseringen af ​​gener på kromosomer og identificere gener med beslægtede funktioner (for eksempel hos mennesker og kyllinger). DNA-sonder bruges også til diagnosticering af forskellige sygdomme.

Rekombinant DNA-teknologi har muliggjort en ukonventionel protein-gen-tilgang kaldet omvendt genetik. I denne fremgangsmåde isoleres et protein fra en celle, genet for dette protein klones, og det modificeres, hvilket skaber et mutantgen, der koder for en ændret form af proteinet. Det resulterende gen indføres i cellen. Hvis det udtrykkes, vil cellen, der bærer det, og dets efterkommere syntetisere det ændrede protein. På den måde kan defekte gener korrigeres og arvelige sygdomme behandles.

Hvis hybrid-DNA'et indføres i et befrugtet æg, kan der produceres transgene organismer, der udtrykker mutantgenet og sender det videre til deres afkom. Genetisk transformation af dyr gør det muligt at fastslå rollen af ​​individuelle gener og deres proteinprodukter både i reguleringen af ​​aktiviteten af ​​andre gener og i forskellige patologiske processer. Ved hjælp af genteknologi er der blevet skabt linjer af dyr, der er resistente over for virussygdomme, såvel som racer af dyr med egenskaber, der er gavnlige for mennesker. For eksempel gjorde mikroinjektion af rekombinant DNA indeholdende bovint somatotropingenet i en kaninzygote det muligt at opnå et transgent dyr med hyperproduktion af dette hormon. De resulterende dyr havde udtalt akromegali.

Bærerne af genernes materielle grundlag er kromosomer, som omfatter DNA og proteiner. Men dannelsens gener er ikke kemiske, men funktionelle. Ud fra et funktionelt synspunkt består DNA af mange blokke, der lagrer en vis mængde information – gener. Genets virkning er baseret på dets evne til at bestemme proteinsyntese gennem RNA. DNA-molekylet indeholder så at sige information, der bestemmer proteinmolekylernes kemiske struktur. Et gen er en del af et DNA-molekyle, der indeholder information om den primære struktur af et hvilket som helst protein (et gen - et protein). Fordi der er titusindvis af proteiner i organismer, er der titusindvis af gener. Helheden af ​​alle gener i en celle udgør dens genom. Alle kroppens celler indeholder det samme sæt gener, men hver af dem implementerer en anden del af den lagrede information. Derfor adskiller nerveceller sig for eksempel fra leverceller i både strukturelle, funktionelle og biologiske egenskaber.

Nu er det endda svært at forudsige alle de muligheder, der vil blive realiseret i de næste par årtier.

2. Genteknologiens historie

Historien om høje biomedicinske teknologier, genetiske forskningsmetoder såvel som selve genteknologien er direkte relateret til menneskets evige ønske om at forbedre racerne af husdyr og dyrkede planter dyrket af mennesker. Ved at udvælge bestemte individer fra grupper af dyr og planter og krydse dem med hinanden, skabte mennesket, uden at have en korrekt idé om den indre essens af de processer, der foregår inde i levende væsener, ikke desto mindre, i mange hundrede og tusinder af år, forbedret racer af dyr og sorter af planter, der havde visse nyttige og nødvendige egenskaber for mennesker.

I 1700- og 1800-tallet blev der gjort mange forsøg på at finde ud af, hvordan egenskaber overføres fra generation til generation. En vigtig opdagelse blev gjort i 1760 af botanikeren Koelreuther, som krydsede to typer tobak og overførte pollen fra støvdragerne fra en art til stamperne fra en anden art. Planter opnået fra hybridfrø havde egenskaber, der lå mellem dem fra begge forældre. Koelreuter trak den logiske konklusion heraf, at forældrekarakteristika overføres både gennem pollen (frøceller) og gennem æg (æg). Imidlertid var hverken han eller hans samtidige, der var engageret i hybridisering af planter og dyr, i stand til at afsløre arten af ​​mekanismen for overførsel af arv. Dette forklares delvist af det faktum, at det cytologiske grundlag for denne mekanisme endnu ikke var kendt på det tidspunkt, men hovedsagelig af det faktum, at forskere forsøgte at studere arven af ​​alle plantekarakteristika samtidigt.

Den videnskabelige tilgang til at studere arven af ​​visse træk og egenskaber blev udviklet af den østrigske katolske munk Gregor Mendel, som i sommeren 1865 begyndte sine eksperimenter med plantehybridisering (krydsning af forskellige ærter) på sit klosters område. Han var den første til at opdage genetikkens grundlæggende love. Gregor Mendel opnåede succes, fordi han studerede arven af ​​individuelle, klart adskilte (kontrasterende) træk, talte antallet af afkom af hver type og omhyggeligt førte detaljerede optegnelser over alle sine krydsningseksperimenter. Kendskab til det grundlæggende i matematik gjorde det muligt for ham at fortolke de opnåede data korrekt og fremsætte den antagelse, at hver egenskab er bestemt af to arvelige faktorer. En talentfuld munkeforsker kunne senere tydeligt vise, at arvelige egenskaber ikke blandes, men overføres til afkom i form af bestemte enheder. Denne strålende konklusion blev efterfølgende fuldt ud bekræftet, da det var muligt at se kromosomer og finde ud af karakteristika ved forskellige typer celledeling: mitose (somatiske celler - kropsceller), meiose (seksuel, reproduktiv, germinal) og befrugtning.

Mendel rapporterede resultaterne af sit arbejde på et møde i Brunn Society of Naturalists og offentliggjorde dem i dette selskabs forhandlinger. Betydningen af ​​hans resultater blev ikke forstået af hans samtidige, og disse undersøgelser tiltrak ikke planteavlere og naturforskere opmærksomhed i næsten 35 år.

I 1900, efter detaljerne i celledeling efter type mitose, meiose og selve befrugtningen blev kendt, gennemførte tre forskere - de Vries i Holland, Correns i Tyskland og Chermak i Østrig - en række eksperimenter og genopdagede uafhængigt af hinanden. arvelighedens love, tidligere beskrevet af Mendel. Senere, efter at have opdaget en artikel af Mendel, hvori disse love var klart formuleret 35 år tidligere, hyldede disse videnskabsmænd enstemmigt munkevidenskabsmanden ved at opkalde de to grundlæggende arvelove efter ham.

I det første årti af det 20. århundrede blev der udført eksperimenter med en bred vifte af planter og dyr, og der blev foretaget talrige observationer vedrørende nedarvning af karakterer hos mennesker, som tydeligt viste, at i alle disse organismer adlyder arvelighed de samme grundlæggende love. Det blev fundet, at de faktorer, der er beskrevet af Mendel, der bestemmer et individuelt træk, er placeret i cellekernens kromosomer. Efterfølgende, i 1909, blev disse enheder kaldt gener af den danske botaniker Johansen (fra det græske ord "ge-nos" - slægt, oprindelse), og den amerikanske videnskabsmand William Sutton bemærkede en overraskende lighed mellem kromosomernes adfærd under dannelsen af kønsceller (kønsceller), deres befrugtning og overførsel af Mendelske arvelige faktorer - gener. Baseret på disse geniale opdagelser blev den såkaldte kromosomale teori om arvelighed skabt.

Faktisk opstod genetikken selv, som videnskaben om arvelighed og variabilitet af levende organismer og metoder til at kontrollere dem, i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. Den amerikanske genetiker T. Morgan gennemførte sammen med sine samarbejdspartnere adskillige eksperimenter, der gjorde det muligt at afsløre det genetiske grundlag for kønsbestemmelse og forklare en række usædvanlige former for arv, hvor overførslen af ​​et træk afhænger af individets køn (de såkaldte kønsbundne træk). Det næste store skridt fremad blev taget i 1927, da G. Möller konstaterede, at ved at bestråle Drosophila-frugtfluen og andre organismer med røntgenstråler, var det muligt kunstigt at inducere genændringer i dem, det vil sige mutationer. Dette gjorde det muligt at opnå mange nye mutante gener - yderligere materiale til undersøgelse af arvelighed. Data om arten af ​​mutationer tjente som en af ​​nøglerne til forståelse og strukturen af ​​selve generne.

I 20'erne af vores århundrede, sovjetiske videnskabsmænd fra skolen for A.S. Serebrovsky udførte de første forsøg, der viste, hvor komplekst genet er. Disse ideer blev brugt af J. Watson og F. Crick, som formåede i 1953 i England at skabe en DNA-model og dechifrere den genetiske kode. Det efterfølgende forskningsarbejde relateret til målrettet skabelse af nye kombinationer af genetisk materiale førte til fremkomsten af ​​selve genteknologien.

Samtidig begyndte i 40'erne en eksperimentel undersøgelse af sammenhængen mellem gener og enzymer. Til dette formål blev et andet objekt meget brugt - skimmelsvampen Neurospora, hvorfra det var muligt kunstigt at opnå og studere en række biokemiske mutationer forbundet med tabet af et eller andet specielt enzym (protein). I løbet af de sidste to årtier har de mest almindelige mål for genetisk forskning været Escherichia coli og visse bakteriofager, der inficerer denne bakterie.

Siden begyndelsen af ​​det 20. århundrede har der været fortsat interesse for undersøgelse af nedarvning af visse (specifikke) egenskaber hos mennesker og for arvelig overførsel af ønskelige og uønskede egenskaber hos husdyr og kulturplanter. På baggrund af et stadigt stigende kendskab til genetiske mønstre har genetikere og opdrættere nærmest på bestilling lært at avle husdyrracer, der kan overleve i varmt klima, køer, der producerer meget mælk med et højt fedtindhold, høns, der lægger store æg. med tynde skaller og sorter af majs og hvede, som er meget modstandsdygtige over for visse sygdomme.

I 1972 blev det første hybride (rekombinante) DNA opnået i USA i P. Bergs laboratorium. Spændende ideer inden for human genetik og genetiske forskningsmetoder er begyndt at blive bredt udviklet og anvendt i selve medicinen. I 70'erne begyndte afkodningen af ​​det menneskelige genom. I mere end årtier har der været et projekt kaldet Human Genome. Af de 3 milliarder nukleotidpar arrangeret i kontinuerlige sammenhængende passager, er kun omkring 10 millioner tegn blevet læst indtil videre. Samtidig skabes der nye genetiske teknikker, der øger hastigheden af ​​DNA-aflæsning. Direktør for det medicinske genetiske center for det russiske akademi for medicinske videnskaber V.I. Ivanov mener bestemt, at "hele genomet vil blive læst omkring 2020."

3. Genteknologi som videnskab. Genteknologiske metoder

Genteknologi er in vitro-konstruktionen af ​​funktionelt aktive genetiske strukturer (rekombinant DNA), eller med andre ord, skabelsen af ​​kunstige genetiske programmer (Baev A.A.). Ifølge E.S. Piruzyansk genteknologi er et system af eksperimentelle teknikker, der gør det muligt at konstruere kunstige genetiske strukturer i laboratoriet (in vitro) i form af såkaldte rekombinante eller hybride DNA-molekyler.

Vi taler om den rettede, ifølge et forudbestemt program, konstruktion af molekylærgenetiske systemer uden for kroppen med deres efterfølgende introduktion i en levende organisme. I dette tilfælde bliver rekombinant DNA en integreret del af modtagerorganismens genetiske apparat og giver den nye unikke genetiske, biokemiske og derefter fysiologiske egenskaber.

Målet med anvendt genteknologi er at designe sådanne rekombinante DNA-molekyler, som, når de introduceres i det genetiske apparat, vil give kroppen egenskaber, der er nyttige for mennesker.

Rekombinant DNA-teknologi bruger følgende metoder:

Specifik spaltning af DNA ved restriktionsnukleaser, accelerering af isolering og manipulation af individuelle gener;

Hurtig sekventering af alle nukleotider i et oprenset DNA-fragment, som gør det muligt at bestemme genets grænser og aminosyresekvensen kodet af det;

Konstruktion af rekombinant DNA;

Nukleinsyrehybridisering, som muliggør påvisning af specifikke RNA- eller DNA-sekvenser med større nøjagtighed og følsomhed, baseret på deres evne til at binde komplementære nukleinsyresekvenser;

DNA-kloning: in vitro-amplifikation ved anvendelse af en polymerasekædereaktion eller indføring af et DNA-fragment i en bakteriecelle, som efter en sådan transformation reproducerer dette fragment i millioner af kopier;

Introduktion af rekombinant DNA i celler eller organismer.

4. Anvendelsesområder for genteknologi

De nuværende videnskabelige opdagelser inden for menneskelig genetik er faktisk af revolutionær betydning, da vi taler om muligheden for at skabe et "kort over det menneskelige genom" eller "patologisk anatomi af det menneskelige genom." Dette genetiske kort vil gøre det muligt at bestemme placeringen af ​​gener på den lange DNA-helix, der er ansvarlige for visse arvelige sygdomme. Ifølge genforskere dannede disse ubegrænsede muligheder grundlaget for ideen om at bruge såkaldt genterapi i klinisk praksis, som er en type behandling til patienter, der involverer udskiftning af berørte gener ved hjælp af høje biomedicinske teknologier og genteknologi. Invasion i sammensætningen af ​​menneskelige gensystemer og sikring af deres vitale aktivitet er mulig både på niveauet af somatiske (alle kropsceller med visse strukturelle og funktionelle forskelle) celler i kroppen og på niveauet af reproduktive, reproduktive (kim) og germinale celler (embryonale) celler.

Genteknologi som en form for terapi - behandlingen af ​​en specifik genetisk bestemt sygdom - er forbundet med leveringen af ​​et tilsvarende ikke-defekt DNA-molekyle med det formål at erstatte det ved hjælp af et gen - et udsnit af et kromosom, der indeholder en defekt, eller til integration i menneskeligt genetisk materiale ved sammensmeltning med såkaldte somatiske celler i menneskekroppen, der har en genetisk defekt. Genteknologiens opgave i forhold til en person er at give en passende målrettet effekt på et specifikt gen for at korrigere det mod korrekt funktion og give en person, der lider af en arvelig sygdom, en normal, uændret version af genet. I modsætning til lægemiddelbehandling vil denne terapi, kaldet genteknologi, tilsyneladende være i stand til at give patienten langvarig, langvarig, yderst effektiv behandling, der giver stor lindring og gavn.

Imidlertid er alle moderne metoder til at introducere DNA i levende organismer ikke i stand til at dirigere og levere det til en specifik population af celler, der indeholder et ændret og derfor fejlfungerende gen. Med andre ord er den såkaldte dirigerede overførsel, transporten af ​​gener i kroppen (i "in vivo"-modellen) i øjeblikket umulig.

En anden metodisk tilgang, baseret på at udvinde fra patientens krop en bestemt population af celler, der indeholder det berørte gen, og manipulere det genetiske materiale ved at erstatte defekte gener i cellerne ved hjælp af genteknologi (i "in vitro"-modellen) og returnere dem til det sted i kroppen, hvor de blev taget fra patienten, er i øjeblikket muligt i medicinske genetiske centre. Denne metode til genterapi gennem genteknologi er allerede blevet brugt i et eksperimentelt forsøg på at helbrede to patienter, der lider af en sjælden genetisk sygdom kaldet beta-thalassæmi, der ligesom seglcelleanæmi også er forårsaget af tilstedeværelsen af ​​en misdannet og derfor ukorrekt fungerende protein i røde blodlegemer. Essensen af ​​manipulationen var, at såkaldte stamceller blev isoleret fra disse patienters knoglemarv, ind i kromosomerne, hvoraf den DNA-sektion, der var ansvarlig for produktionen af ​​det normale hæmoglobulinprotein, blev indført - genet. Efter at de dårligt fungerende stamceller, der var tilbage i patienternes knoglemarv, var næsten fuldstændig ødelagt, blev patienterne injiceret med gensplejsede stamceller. Desværre var disse to forsøg klinisk mislykkede, da patienterne døde. Dette første tilfælde af gensplejsning i et hospitalsmiljø var ikke godkendt eller godkendt af de relevante bedømmelsesudvalg, og dets deltagere blev stærkt fordømt for grov overtrædelse af reglerne for forskning inden for human genetik.

Genmanipulation af reproduktive (reproduktive) celler kan føre til helt andre konsekvenser, da introduktionen af ​​DNA i disse celler adskiller sig fra at korrigere en genetisk defekt i somatiske (kropslige, ikke-reproduktive) celler. Det er kendt, at introduktionen af ​​andre gener i kønscellers kromosomer fører til deres overførsel til efterfølgende generationer. I princippet kan man forestille sig at tilføje bestemte dele af DNA for at erstatte defekte dele til arvematerialet i hver reproducerende celle hos en bestemt person, der er ramt af en eller anden genetisk betinget sygdom.

Dette er faktisk blevet opnået hos mus. Der blev således opnået et æg fra æggestokken på en hun, som efterfølgende blev befrugtet in vitro (in vitro), og derefter blev et fremmed DNA-snit indført i kromosomet på det befrugtede æg. Selve det befrugtede æg med et ændret genom blev implanteret (indført) i moderens livmoder på en hunmus. Kilden til fremmed DNA i det ene eksperiment var kanin genetisk materiale, og i det andet, humant genetisk materiale.

For at påvise i løbet af fosterudviklingsperioden sandsynligheden for at få et barn med visse genetiske abnormiteter, såsom Downs syndrom eller Tay-Sachs sygdom, bruges en forskningsteknik kaldet fostervandsprøve - en prænatal analyse, hvorunder en prøve af biologisk væske indeholdende kønsceller, taget fra fostersækken tidligt i graviditetens andet trimester. Derudover blev teknikken til at udvinde forskellige føtale celler fra en prøve af moderens placentablod videreudviklet. De på denne måde opnåede livmoderceller kan på nuværende tidspunkt kun bruges til at identificere et begrænset antal genetisk betingede sygdomme, hvor der er udtalte, grove forstyrrelser i DNA-strukturen og ændringer bestemt ved hjælp af biokemiske tests. Genteknologi ved hjælp af rekombinant DNA under prænatal forskning åbner muligheden for korrekt diagnosticering af forskellige og talrige arvelige sygdomme.

I dette tilfælde udvikles teknikker til at skabe såkaldte gen-”prober”, ved hjælp af hvilke det er muligt at afgøre, om et kromosom indeholder et normalt, uændret gen eller et unormalt, defekt gen. Derudover vil gensplejsning forbundet med brugen af ​​rekombinant DNA, som er på et af stadierne af dets dannelse, i fremtiden gøre det muligt at udføre den såkaldte "planlægning" af menneskelige gener, således at et bestemt gen som bærer forvrænget patologisk information og derfor er af interesse for genetikere, kunne identificeres i tide og hurtigt nok i analogi med metoden til at bruge et andet "mærket" gen. Denne komplekse medicinske og biologiske teknik skulle hjælpe med at bestemme placeringen af ​​ethvert gen i livmoderceller, og ikke kun i dem, hvor forskellige lidelser sandsynligvis vil blive opdaget ved hjælp af fostervandsprøveteknikken.

I den forbindelse er der i de senere år opstået nye sektioner af biomedicinske videnskaber, som for eksempel høj DNA-teknologi, embryoterapi og celleterapi (cytoterapi), det vil sige intrauterin diagnosticering og behandling af en genetisk betinget sygdom både ved uddannelsesstadiet og udviklingen af ​​embryoet (embryoet), og på stadiet af fostermodningen. Invasion og manipulation af embryonalt materiale har en direkte indvirkning på arven af ​​genetiske ændringer, da de har evnen til at blive overført fra generation til generation. Desuden begynder genetisk diagnose i sig selv at udvikle sig til genetisk prognose, det vil sige til at bestemme en persons fremtidige skæbne, konsolidere de vigtigste revolutionære ændringer i selve medicinen, som som et resultat af komplekse medicinsk-genetiske eksperimenter og teknikker fik muligheden længe før udseendet af det "kliniske billede af sygdommen" , nogle gange endda før en persons fødsel, for at bestemme, hvilke arvelige lidelser der truer ham. Takket være indsatsen fra genetikere og specialister inden for genteknologi, blev den såkaldte "prædiktiv medicin" født i dybden af ​​de biomedicinske videnskaber, det vil sige medicin, der "fremsætter forudsigelser for fremtiden."

Samtidig gør forskellige teknologier og metoder til genteknologi det muligt at forudsige i den prænatale periode af et barns udvikling, før dets fødsel, ikke kun tilstedeværelsen af ​​en bestemt arvelig sygdom, men også at beskrive i detaljer den medicinske og genetiske egenskaber ved det voksende embryo og foster.

Med akkumuleringen af ​​nye data om den genetiske kortlægning af det menneskelige genom og beskrivelsen (sekventering) af dets DNA, og også fordi de moderne metoder til at studere DNA-polymorfismer, der udvikles, gør det muligt at stille genetisk information om visse strukturelle og funktionelle ( inklusive patologiske) træk ved den menneskelige krop, som tilsyneladende vil dukke op i fremtiden, men som endnu ikke er mærkbare nu, bliver det muligt at opnå, ved hjælp af medicinsk genetisk diagnostik, al genetisk information om barnet, ikke kun præklinisk, det vil sige før manifestationen af ​​en bestemt arvelig sygdom, og prænatalt, det vil sige før hans fødsel, men også præceptivt, det vil sige selv før dens undfangelse.

I en overskuelig fremtid, takket være succes og fremskridt inden for medicinsk genetisk diagnostik, vil det være muligt, baseret på DNA-diagnostiske data, ret sikkert at bedømme, for eksempel, hvad en persons højde, mentale evner, disposition for visse sygdomme (især kræft) vil være. eller mental), dømt til manifestation og udvikling af enhver arvelig sygdom.

Moderne medicinske og biologiske teknologier gør det muligt at opdage forskellige lidelser i gener, der kan manifestere sig og forårsage visse lidelser, ikke kun på stadiet af en klinisk udtalt sygdom, men også når der endnu ikke er tegn på patologi, og selve sygdommen vil ikke manifestere sig så hurtigt. Eksempler på dette omfatter Alzheimers sygdom og Huntingtons chorea, som påvirker en person over 40 år eller endda 70 år. Men selv i disse tilfælde er det muligt at opdage gener, der kan forårsage lignende sygdomme hos mennesker, allerede før patientens undfangelse. Det er også kendt, at diabetes mellitus kan klassificeres som en af ​​disse sygdomme. Disposition for denne sygdom og selve den genetisk bestemte patologi er arvet og kan manifestere sig i tilfælde af manglende overholdelse af en bestemt livsstil i voksenalderen eller alderdommen. Vi kan med rimelig sikkerhed sige, at hvis begge forældre eller en af ​​dem lider af diabetes, så overføres sandsynligheden for at arve diabetesgenet eller en kombination af sådanne gener til børn.

I dette tilfælde viser det sig at være muligt at udføre passende medicinske og biologiske undersøgelser og stille en korrekt diagnose i nærværelse af mikroskopisk små mængder biologisk materiale. Nogle gange er nogle få individuelle celler nok til dette, som vil blive formeret i kultur in vitro, og fra dem vil et "genetisk portræt" af den testede person blive opnået, selvfølgelig, ikke for alle generne i hans genom (der er tiere af tusinder af dem!), men for dem af dem, for hvilke der er rimelig grund til at mistænke tilstedeværelsen af ​​visse defekter. Den samtidige udvikling af metoder til cellulær og gensplejsning vil gøre det muligt på efterfølgende stadier af viden om genomet at åbne op for den praktiske mulighed for vilkårligt og frem for alt i terapeutiske formål at ændre genernes rækkefølge og rækkefølge. deres sammensætning og struktur.

Medicin er ikke det eneste anvendelsesområde for genteknologi. Der er gensplejsning af planter og gensplejsning af bakteriologiske celler.

For nylig er der opstået nye muligheder for at få "spiselige" vacciner baseret på transgene planter.

Der er gjort store fremskridt i transgene planter i verden. De skyldes i høj grad, at problemet med at få en organisme fra en celle, en gruppe celler eller et umodent embryo i planter nu ikke er særlig svært. Celleteknologier, vævskultur og skabelse af regeneranter er meget udbredt i moderne videnskab.

Lad os overveje præstationerne inden for plantedyrkning, der blev opnået ved det sibiriske institut for plantefysiologi og biokemi fra den sibiriske gren af ​​det russiske videnskabsakademi.

I de senere år er der således opnået en række transgene planter ved at overføre generne ugt, acp, acb, accc og andre isoleret fra forskellige planteobjekter til deres genom.

Som et resultat af indførelsen af ​​disse gener opstod transgene planter af hvede, kartofler, tomater, agurker, sojabønner, ærter, rapsfrø, jordbær, asp og nogle andre.

Introduktionen af ​​gener blev udført enten ved at "målrette" væv fra en "genkanon" (hvis design blev udviklet på vores institut), eller af en genetisk vektor baseret på et agrobakterielt plasmid med indbyggede målgener og tilsvarende promotorer .

Som et resultat blev der dannet en række nye transgene former. Her er nogle af dem.

Transgen hvede (2 sorter), som har væsentligt mere intensiv vækst og jordbearbejdning, er formodentlig mere modstandsdygtig over for tørke og andre ugunstige miljøfaktorer. Dets produktivitet og arv af erhvervede ejendomme bliver undersøgt.

Transgene kartofler, som har været overvåget i tre år. Den producerer konsekvent et udbytte, der er 50-90 procent højere end kontrollen, har opnået næsten fuldstændig modstandsdygtighed over for auxin-herbicider, og derudover "sorte" dens knolde væsentligt mindre ved udskæringer på grund af et fald i polyphenoloxidaseaktivitet.

Transgen tomat (flere sorter), kendetegnet ved større buskelighed og udbytte. I et drivhus er dets udbytte op til 46 kg pr. kvadratmeter (mere end to gange højere end kontrollen).

Transgen agurk (flere varianter) giver et større antal frugtbare blomster og følgelig frugter med et udbytte på op til 21 kg pr. kvadratmeter mod 13,7 i kontrollen.

Der er transgene former for andre planter, hvoraf mange også har en række nyttige økonomiske egenskaber.

Genteknologi er videnskaben i dag og i morgen. Allerede nu bliver der sået titusinder af hektar med transgene planter rundt om i verden, ny medicin og nye producenter af nyttige stoffer bliver skabt. Med tiden vil genteknologi blive et stadig stærkere værktøj til nye fremskridt inden for medicin, veterinærmedicin, farmakologi, fødevareindustrien og landbruget.

5. Videnskabelige fakta om farerne ved genteknologi

Det skal bemærkes, at sammen med de fremskridt, som udviklingen af ​​genteknologi bringer, er der også nogle fakta om farerne ved genteknologi, hvoraf de vigtigste er præsenteret nedenfor.

1. Genteknologi er fundamentalt forskellig fra udviklingen af ​​nye sorter og racer. Den kunstige tilføjelse af fremmede gener forstyrrer i høj grad den fint regulerede genetiske kontrol af en normal celle. Genmanipulation er fundamentalt forskellig fra kombinationen af ​​maternelle og faderlige kromosomer, der forekommer i naturlige krydsninger.

2. I øjeblikket er genteknologi teknisk ufuldkommen, da den ikke er i stand til at kontrollere processen med at indsætte et nyt gen. Derfor er det umuligt at forudsige insertionsstedet og virkningerne af det tilføjede gen. Selvom placeringen af ​​et gen kan bestemmes, når det først er blevet indsat i genomet, er den tilgængelige DNA-information meget ufuldstændig til at forudsige resultaterne.

3. Som følge af den kunstige tilføjelse af et fremmed gen kan der uventet dannes farlige stoffer. Det kan i værste fald være giftige stoffer, allergener eller andre sundhedsskadelige stoffer. Oplysninger om disse typer af muligheder er stadig meget ufuldstændige.

4. Der findes ingen helt pålidelige metoder til at teste for harmløshed. Mere end 10 % af alvorlige bivirkninger ved nye lægemidler kan ikke påvises på trods af omhyggeligt udførte sikkerhedsundersøgelser. Risikoen for, at de farlige egenskaber ved nye genetisk modificerede fødevarer ikke bliver opdaget, vil sandsynligvis være meget større end i tilfældet med lægemidler.

5. De nuværende krav til test for uskadelighed er yderst utilstrækkelige. De er tydeligt designet til at forenkle godkendelsesprocessen. De tillader brugen af ​​ekstremt ufølsomme testmetoder for harmløshed. Der er derfor en betydelig risiko for, at farlige fødevarer vil kunne bestå inspektionen uopdaget.

6. Fødevarer skabt til dato ved hjælp af genteknologi har ikke nogen væsentlig værdi for menneskeheden. Disse produkter opfylder hovedsagelig kun kommercielle interesser.

7. Viden om virkningerne af genetisk modificerede organismer, der indføres i miljøet, er fuldstændig utilstrækkelig. Det er endnu ikke bevist, at organismer, der er modificeret ved genteknologi, ikke vil have skadelige virkninger på miljøet. Miljøforkæmpere har foreslået forskellige potentielle miljømæssige komplikationer. For eksempel er der mange muligheder for ukontrolleret spredning af potentielt skadelige gener, der bruges af genteknologi, herunder genoverførsel fra bakterier og vira. Komplikationer forårsaget af miljøet vil sandsynligvis være umulige at korrigere, da de frigivne gener ikke kan tages tilbage.

8. Nye og farlige vira kan dukke op. Det er eksperimentelt vist, at virale gener indlejret i genomet kan kombineres med generne fra infektiøse vira (såkaldt rekombination). Disse nye vira kan være mere aggressive end de originale. Virus kan også blive mindre artsspecifikke. For eksempel kan plantevirus blive skadelige for gavnlige insekter, dyr og også mennesker.

9. Kendskabet til det arvelige stof, DNA, er meget mangelfuldt. Funktionen af ​​kun tre procent af DNA er kendt. Det er risikabelt at manipulere komplekse systemer, om hvilke viden er ufuldstændig. Stor erfaring inden for biologi, økologi og medicin viser, at dette kan give alvorlige uforudsigelige problemer og lidelser.

10. Genteknologi vil ikke hjælpe med at løse problemet med sult i verden. Påstanden om, at genteknologi kan yde et væsentligt bidrag til at løse problemet med sult i verden, er en videnskabeligt ubegrundet myte.

Konklusion

Genteknologi er en bioteknologisk metode, der beskæftiger sig med forskning i omstrukturering af genotyper. Genotypen er ikke bare en mekanisk sum af gener, men et komplekst system, der har udviklet sig under organismers udvikling. Genteknologi gør det muligt at overføre genetisk information fra en organisme til en anden gennem in vitro-operationer. Genoverførsel gør det muligt at overvinde barrierer mellem arter og overføre individuelle arvelige egenskaber fra en organisme til en anden.

Omarrangering af genotyper, når de udfører genteknologiske opgaver, repræsenterer kvalitative ændringer i gener, der ikke er forbundet med ændringer i strukturen af ​​kromosomer, der er synlige i et mikroskop. Genændringer er primært forbundet med transformationen af ​​den kemiske struktur af DNA. Information om strukturen af ​​et protein, skrevet som en sekvens af nukleotider, implementeres som en sekvens af aminosyrer i det syntetiserede proteinmolekyle. En ændring i sekvensen af ​​nukleotider i kromosomalt DNA, tab af nogle og inklusion af andre nukleotider, ændrer sammensætningen af ​​de RNA-molekyler, der dannes på DNA, og dette bestemmer igen en ny sekvens af aminosyrer under syntesen. Som et resultat begynder et nyt protein at blive syntetiseret i cellen, hvilket fører til fremkomsten af ​​nye egenskaber i kroppen. Essensen af ​​genteknologiske metoder er, at individuelle gener eller grupper af gener indsættes i eller udelukkes fra en organismes genotype. Som et resultat af at indsætte et tidligere fraværende gen i genotypen, kan cellen tvinges til at syntetisere proteiner, som den ikke tidligere havde syntetiseret.

Bibliografi

2. Lee A., Tinland B. Integration af t-DNA i plantegenomet: prototype og virkelighed // Plantefysiologi. 2000. - Bind 47. - Nr. 3.

3. Lutova L. A., Provorov N. A., Tikhodeev O. N. et al. Genetik af planteudvikling. - St. Petersborg: Nauka, 2000. - 539 s.

4. Lyadskaya M. Genteknologi kan gøre alt - selv dyrke en vaccine i haven // Pharmaceutical Bulletin. - 2000. - Nr. 7.

5. Romanov G. A. Genteknologi af planter og måder at løse problemet med biosikkerhed // Plantefysiologi, 2000. - Bind 47. - Nr. 3.

6. Salyaev R. Genteknologiens myter og realiteter // Videnskab i Sibirien. - 2002. - Nr. 7.

7. Favorova O. O. Behandling med gener - fiktion eller virkelighed? // Farmaceutisk Bulletin. - 2002. - Nr. 5.

Kuzmina N.A. Grundlæggende om bioteknologi: lærebog. - Omsk: OGPU, 2001. - 256 s.

Lutova L. A., Provorov N. A., Tikhodeev O. N. et al. Genetik for planteudvikling. - St. Petersborg: Nauka, 2000. - 539 s.

Lyadskaya M. Genteknologi kan alt - selv dyrke en vaccine i haven // Pharmaceutical Bulletin. - 2000. - Nr. 7.

Kuzmina N.A. Grundlæggende om bioteknologi: lærebog. - Omsk: OGPU, 2001. - 256 s.

Favorova O. O. Behandling med gener - fiktion eller virkelighed? // Farmaceutisk Bulletin. - 2002. - Nr. 5.

Salyaev R. Genteknologiens myter og realiteter // Videnskab i Sibirien. - 2002. - Nr. 7.

Kuzmina N.A. Grundlæggende om bioteknologi: lærebog. - Omsk: OGPU, 2001. - 256 s.

Genetisk (genetisk) manipulation

Genetisk (genetisk) manipulation– kunstig konstruktion af genetiske strukturer og arveligt modificerede organismer. Genteknologi er en sektion (anvendt gren) af molekylær genetik forbundet med den målrettede skabelse af nye DNA-molekyler, der er i stand til at formere sig i en værtscelle. I dette tilfælde sker en kunstig, målrettet ændring af organismens (mikroorganismens) genotype og dannelsen af ​​nye karakteristika og egenskaber. Genteknologi beskæftiger sig med afkodning af geners struktur, deres syntese og kloning, og indsættelse af gener isoleret fra celler fra levende organismer i celler af planter og dyr for specifikt at ændre deres genetiske egenskaber.

Veludviklede metoder til genteknologi er transgenese, mikrobiologisk syntese osv.

Transgenese- overførsel af gener fra en type organisme til en anden. Transgenese udføres ved at skære og sy dele af DNA med deltagelse af enzymer - restriktionsenzymer og ligaser.

Stadier af transgenese:

a) isolering af gener (DNA-fragmenter) fra bakterie-, plante- eller dyreceller ved hjælp af et enzym restriktionsenzymer;

b) forbindelse (binding) af gener (DNA-fragmenter) med et plasmid ved hjælp af et enzym ligaser;

c) indføring af et hybridt plasmid-DNA indeholdende det ønskede gen i værtscellen;

d) kopiering (kloning) af dette gen i værtscellen og sikring af dets funktion i henhold til skemaet: "DNA-kode - transkription - translation - protein"

Genteknologiske værktøjer er enzymer opdaget i 1974 - restriktionsenzymer (restriktionsendonukleaser). Restriktionsenzymer genkender sektioner (steder) af DNA og laver snit i DNA-strenge. I enderne af hvert fragment dannes enkeltstrengede haler, kaldet " klæbrige ender" da de sådan set kan hænge sammen på grund af komplementaritet.

Restriktionsenzymer genkender en specifik sekvens af DNA-nukleotider i dobbeltstrenget DNA. Restriktionsenzymet hæfter sig derefter til det genkendte nukleotidsted og skærer det ved bindingsstedet. Oftere genkender restriktionsenzymer regioner på 4-6 nukleotidpar i et DNA-molekyle og skærer begge DNA-strenge i midten af ​​disse regioner eller sædvanligvis med en offset. Eksempler på restriktionsenzymer: restriktionsenzym Eco RI, som genkender et DNA-fragment af seks nukleotider GAATTC (det skårne sted mellem nukleotid G og A i begge DNA-strenge); restriktionsenzym Hind III genkender AAGCTT-regionen (skæringsstedet mellem nukleotid A og A i begge DNA-strenge); restriktionsenzym Bam I genkender GGATCC-regionen (skæringsstedet mellem nukleotid G og G af begge DNA-strenge); restriktionsenzym Hae III genkender GGC-stedet (det skårne sted mellem G- og C-nukleotiderne af begge DNA-strenge); restriktionsenzym Hpa II genkender CCGG-regionen (stedet for snittet mellem C- og C-nukleotiderne i begge DNA-strenge).

Dernæst, for at konstruere en genetisk modificeret organisme, er det nødvendigt at indføre det ønskede gen i denne organismes celle. Indføringen af ​​fremmede gener i kroppen udføres vha plasmidvektor. Vektoren er plasmid – lille cirkulært DNA-molekyle som udvindes fra cytoplasmaet i en bakteriecelle. Plasmider– arvelighedsfaktorer placeret uden for kromosomerne, der repræsenterer ekstrakromosomalt DNA.

Ris. 37.

EN– Skema til indføring af fremmed DNA i et bakterieplasmid ved hjælp af enzymer (restriktionsendonuklease og ligase).

B– System for human genoverførsel, der er ansvarlig for syntesen af ​​hormonet insulin og dannelsen af ​​vektor-DNA.

Plasmidets egenskaber: 1) har evnen til autonom replikation; 2) indeholder gener, der koder for antibiotika; 3) er i stand til at integrere sig i kromosomet af modtagercellen; 4) genkender sektioner af DNA, der kan skæres af restriktionsenzymer; 5) et restriktionsenzym kan skære plasmidet og overføre det til en lineær tilstand. Forskere bruger disse egenskaber af plasmidet til at opnå rekombinant (hybrid) DNA.

Sekvensen for indføring af DNA i et plasmid (plasmidvektor) ved anvendelse af et restriktionsenzym(Fig. 37 A):

1) begrænsning– skæring af DNA-molekylet med et restriktionsenzym, dannelse af DNA-fragmenter og isolering af det nødvendige gen;

2) inklusion af det isolerede gen i et plasmid opnåelse af rekombinant (hybrid) DNA ved at indføre et fragment af fremmed DNA i et plasmid;

3) ligering- enzym-tværbinding ligase plasmid (vektor) og fremmede DNA-fragmenter; i dette tilfælde er enderne af vektoren og fremmed DNA (de såkaldte "klæbende ender") komplementære til hinanden;

4) transformation– indføring af et rekombinant plasmid i genomet af en anden celle (recipientcelle), især en bakteriecelle.

Det skal bemærkes, at plasmider kun trænger ind i en del af de behandlede bakterier. Transformerede bakterier opnår sammen med plasmider resistens over for et specifikt antibiotikum, hvilket gør det muligt at adskille dem fra ikke-transformerede bakterier, der dør på et medium indeholdende et antibiotikum. Hver af de transformerede bakterier, placeret på et næringsmedium, formerer sig og danner en koloni med mange tusinde efterkommere – en klon.

5) screening– selektion blandt transformerede bakterier af dem, der indeholder plasmider med det ønskede gen.

Transgene dyr og planter

Klonede gener indføres i pattedyrsæg eller planteprotoplaster (en isoleret celle uden cellevæg) ved hjælp af mikroinjektion, og derefter dyrkes dyr eller planter fra dem, i hvis genom fremmede gener opererer. Planter og dyr, hvis genom er blevet ændret gennem genteknologiske operationer, kaldes transgene organisationer (transgene planter og dyr), fordi den indeholder fremmede gener. Transgene mus, kaniner, grise og får blev opnået. Deres genom indeholder gener fra bakterier, pattedyr og mennesker. Transgene planter (majs, peberfrugt, tomater, hvede, rug, bælgfrugter, kartofler osv.) indeholdende gener fra ubeslægtede arter er blevet opnået. Transgene planter er modstandsdygtige over for herbicider, insekter, ugunstige regnforhold osv. Problemet med at ændre arveligheden for mange landbrugsplanter bliver gradvist løst.

Genetisk kort over kromosomer. Genterapi

Et genetisk kort over kromosomer er et diagram over det relative arrangement af gener placeret i den samme koblingsgruppe. Sådanne kort kompileres for hvert par homologe kromosomer. Det genetiske kort viser rækkefølgen af ​​gener på kromosomet og afstanden mellem dem (procentdelen af ​​krydsninger mellem bestemte gener). Således er skabelsen af ​​nye stammer af mikroorganismer, der er i stand til at syntetisere hormoner, proteiner og lægemidler, baseret på viden om mikroorganismers genetiske kort. Menneskelige genetiske kort er afgørende for medicinsk genetik. Viden om lokalisering af et gen på et specifikt kromosom bruges i diagnosticering af en række arvelige sygdomme, samt i genterapi til at korrigere geners struktur og funktion.

Genterapi – erstatte defekte gener med intakte eller korrigere deres struktur.

For at bekæmpe arvelige, onkologiske og aldersrelaterede sygdomme udvikles genterapimetoder, der er sikre for menneskelige celler. Ved hjælp af genterapimetoder er det muligt at erstatte defekte gener i kroppen, hvor der er opstået punktmutationer, med intakte. I dag mestrer videnskabsmænd metoder menneskelig biosikkerhed: introduktion af de nødvendige gener i cellerne i den menneskelige krop. Dette vil give dig mulighed for at slippe af med mange arvelige sygdomme.

Mikrobiologisk syntese

Genteknologiske metoder har gjort det muligt at implementere mikrobiologisk syntese(Fig. 37 B). Ved hjælp af gensplejsningsmetoder var mikrobiologer i stand til at opnå bakteriestammer, takket være hvilke mikrobiologisk syntese udføres med succes. For at gøre dette udvælges de nødvendige bakterieceller, der ikke indeholder plasmider. Der isoleres DNA-molekyler med en given sekvens af nukleotider, som bestemmer udviklingen af ​​den ønskede egenskab. Et plasmid med en integreret DNA-sektion (genom) indføres i en bakteriecelle, hvori den indbyggede DNA-sektion begynder at virke (replikation, transkription, translationsprocesser finder sted), og det nødvendige protein (interferon, geneferon, immunoglobulin, insulin, somatotropin osv.) syntetiseres i bakteriecellen. ). Hormoner (insulin, somatotropin), mange aminosyrer, antibiotika, vacciner osv. opnås i industrielle mængder Sådanne bakterier opformeres i industriel skala og producerer det nødvendige protein.

Ved hjælp af genetiske metoder opnåede man en stamme af mikroorganismen Pseudomonas denitrificans, som producerer titusinder flere C- og B-vitaminer end den oprindelige form; en ny stamme af bakterien Micrococcus glutamicus udskiller hundredvis af gange mere af aminosyren lysin end den oprindelige (vilde) kultur af den lysinproducerende bakterie.

Celleteknik

Celleteknik– dyrkning af individuelle celler eller væv i særlige kunstige medier, udvikling af metoder til at skabe en ny type celler ved at hybridisere dem, erstatte kromosomer og dyrke hybrider fra dem.

1. Vævskulturmetode

Metoden består i at dyrke isolerede celler eller vævsstykker på et kunstigt næringsmedium under passende mikroklimatiske forhold. Som et resultat af dyrkning bliver planteceller eller vævsstykker regenereret til en hel plante. Ved mikroklonal formering af individuelle celler eller vævsstykker (sædvanligvis det apikale meristem af en stilk eller rod) kan mange nyttige planter opnås. Mikroklimatiske forhold og næringsmedier til regenerering af pryd-, kultur- og lægeplanter udvælges eksperimentelt. Vævskultur bruges også til at producere diploide planter efter behandling af de originale haploide former med colchicin.

2. Somatisk hybridisering

Somatisk hybridisering omfatter produktion af hybridceller, og fra dem - nye former; kunstig befrugtning af æg.

At opnå nye hybridplanter ved fusion af protoplaster (kerne og cytoplasma) af forskellige celler i vævskultur. For at fusionere protoplaster ødelægges plantecellevæggen ved hjælp af enzymer, og der opnås en isoleret protoplast. Når sådanne protoplaster af forskellige plantearter dyrkes, smelter de sammen og danner former med nye nyttige egenskaber. Kunstig befrugtning af æg udføres ved hjælp af metoden in vitro fertilisering (IVF), som tillader befrugtning af æg in vitro med efterfølgende implantation af embryonet på et tidligt udviklingsstadium og for at overvinde nogle former for infertilitet hos mennesker.

3. Kromosomteknik– udskiftning af individuelle kromosomer i planteceller eller tilføjelse af nye. Diploider har par af homologe kromosomer, og sådanne organismer kaldes disomics. Hvis et kromosom er tilbage i et par, dannes en monosomi. Tilføjer man et tredje homologt kromosom til et hvilket som helst par, dannes der et trisomium osv. Det er muligt at erstatte individuelle kromosomer af en art med kromosomer af en anden art. Modtaget former kaldes substituerede.

Genteknologi tjener til at opnå de ønskede kvaliteter af en foranderlig eller genetisk modificeret organisme. I modsætning til traditionel selektion, hvor genotypen kun er genstand for indirekte ændringer, tillader genteknologi direkte indgreb i det genetiske apparat ved hjælp af teknikken til molekylær kloning. Eksempler på anvendelse af genteknologi er produktion af nye genetisk modificerede sorter af kornafgrøder, produktion af human insulin ved hjælp af genetisk modificerede bakterier, produktion af erythropoietin i cellekultur eller nye racer af forsøgsmus til videnskabelig forskning.

De første forsøg udføres med brug af bakterier med omarrangeret DNA til at behandle patienter.

Grundlaget for den mikrobiologiske, biosyntetiske industri er bakteriecellen. De celler, der er nødvendige til industriel produktion, udvælges i henhold til visse egenskaber, hvoraf den vigtigste er evnen til at producere, syntetisere i størst mulige mængder en bestemt forbindelse - en aminosyre eller et antibiotikum, et steroidhormon eller en organisk syre . Nogle gange skal man have en mikroorganisme, der for eksempel kan bruge olie eller spildevand som "fødevarer" og forarbejde det til biomasse eller endda protein, der er ganske velegnet til fodertilsætningsstoffer. Nogle gange har vi brug for organismer, der kan udvikle sig ved forhøjede temperaturer eller i nærværelse af stoffer, der helt sikkert er dødelige for andre typer mikroorganismer.

Opgaven med at opnå sådanne industrielle stammer er meget vigtig; for deres modifikation og udvælgelse er der udviklet adskillige metoder til aktiv påvirkning af cellen - fra behandling med potente giftstoffer til radioaktiv bestråling. Målet med disse teknikker er ét - at opnå ændringer i cellens arvelige, genetiske apparat. Deres resultat er produktionen af ​​adskillige mutante mikrober, fra hundreder og tusinder af hvilke videnskabsmænd derefter forsøger at udvælge den bedst egnede til et bestemt formål. Skabelsen af ​​teknikker til kemisk eller strålingsmutagenese var en enestående præstation inden for biologi og er meget udbredt i moderne bioteknologi.

Men deres evner er begrænset af arten af ​​mikroorganismerne selv. De er ikke i stand til at syntetisere en række værdifulde stoffer, der ophobes i planter, primært i medicinske og æteriske olieplanter. De kan ikke syntetisere stoffer, der er meget vigtige for dyrs og menneskers liv, en række enzymer, peptidhormoner, immunproteiner, interferoner og mange enklere forbindelser, der syntetiseres i dyrs og menneskers kroppe. Mikroorganismernes muligheder er naturligvis langt fra udtømte. Af hele overfloden af ​​mikroorganismer er kun en lille del blevet brugt af videnskaben, og især af industrien. Med henblik på udvælgelse af mikroorganismer er f.eks. anaerobe bakterier, der kan leve i fravær af ilt, fototrofer, der bruger lysenergi som planter, kemoautotrofer, termofile bakterier, der kan leve ved temperaturer, som for nyligt opdaget, ca. 110°C osv.

Og alligevel er begrænsningerne ved "naturligt materiale" indlysende. De har forsøgt og forsøger at komme uden om restriktionerne ved hjælp af celle- og vævskulturer af planter og dyr. Dette er en meget vigtig og lovende vej, som også bliver implementeret inden for bioteknologi. I løbet af de sidste par årtier har forskere udviklet metoder, hvorved individuelle vævsceller fra en plante eller et dyr kan fås til at vokse og reproducere separat fra kroppen, som bakterieceller. Dette var en vigtig bedrift - de resulterende cellekulturer bruges til eksperimenter og til industriel produktion af visse stoffer, som ikke kan opnås ved hjælp af bakteriekulturer.

En anden forskningsretning er fjernelse fra DNA af gener, der er unødvendige for kodning af proteiner og organismers funktion, og skabelsen af ​​kunstige organismer med et "trunkeret sæt" af gener baseret på sådant DNA. Dette gør det muligt dramatisk at øge modstanden af ​​modificerede organismer over for vira.

Udviklingshistorie og metoder

I anden halvdel af det 20. århundrede blev der gjort flere vigtige opdagelser og opfindelser, der ligger til grund genteknologi. Mange års forsøg på at "læse" den biologiske information, der er "skrevet" i gener, er blevet gennemført med succes. Dette arbejde blev startet af den engelske videnskabsmand Frederick Sanger og den amerikanske videnskabsmand Walter Gilbert (Nobelprisen i kemi 1980). Som bekendt indeholder gener informations-instruktioner til syntese af RNA-molekyler og proteiner, herunder enzymer, i kroppen. For at tvinge en celle til at syntetisere nye stoffer, der er usædvanlige for den, er det nødvendigt, at de tilsvarende sæt enzymer syntetiseres i den. Og for dette er det nødvendigt enten målrettet at ændre de gener, der er placeret i det, eller at indføre nye, tidligere fraværende gener i det. Ændringer i gener i levende celler er mutationer. De forekommer under indflydelse af for eksempel mutagener - kemiske gifte eller stråling. Men sådanne ændringer kan ikke kontrolleres eller styres. Derfor har forskere fokuseret deres indsats på at forsøge at udvikle metoder til at introducere nye, meget specifikke gener, som mennesker har brug for i celler.

Alle metoder til genteknologi Genteknologiske teknikker ) bruges til at implementere en af ​​følgende faser af løsningen af ​​et genteknologisk problem:

1. At opnå et isoleret gen.
2. Introduktion af et gen i en vektor til overførsel til kroppen.
3. Overførsel af en vektor med et gen til den modificerede organisme.
4. Transformation af kropsceller.
5. Udvælgelse af genetisk modificerede organismer ( GMO) og eliminere dem, der ikke blev ændret.

Processen med gensyntese er nu meget veludviklet og endda stort set automatiseret. Der er specielle enheder udstyret med computere, i hukommelsen af ​​hvilke programmer til syntese af forskellige nukleotidsekvenser er gemt. Dette apparat syntetiserer DNA-segmenter op til 100-120 nitrogenbaser i længden (oligonukleotider). En teknik er blevet udbredt, der gør det muligt at bruge polymerasekædereaktionen til syntese af DNA, herunder mutant DNA. Et termostabilt enzym, DNA-polymerase, bruges i det til skabelon-DNA-syntese, hvortil kunstigt syntetiserede stykker af nukleinsyre - oligonukleotider - bruges som frø. Enzymet revers transkriptase tillader, ved anvendelse af sådanne primere, at syntetisere DNA på en skabelon af RNA isoleret fra celler. Det DNA, der syntetiseres på denne måde, kaldes komplementært DNA (RNA) eller cDNA. Et isoleret, "kemisk rent" gen kan også opnås fra et fagbibliotek. Dette er navnet på et bakteriofagpræparat, i hvis genom tilfældige fragmenter fra genomet eller cDNA er indbygget, reproduceret af fagen sammen med al dens DNA.

Teknikken til at introducere gener i bakterier blev udviklet efter at Frederick Griffith opdagede fænomenet bakteriel transformation. Dette fænomen er baseret på en primitiv seksuel proces, som i bakterier er ledsaget af udveksling af små fragmenter af ikke-kromosomalt DNA, plasmider. Plasmidteknologier dannede grundlaget for introduktionen af ​​kunstige gener i bakterieceller.

Betydelige vanskeligheder var forbundet med indførelsen af ​​et færdiglavet gen i plante- og dyrecellers arvelige apparat. Men i naturen er der tilfælde, hvor fremmed DNA (af en virus eller bakteriofag) er inkluderet i en celles genetiske apparat og ved hjælp af dens metaboliske mekanismer begynder at syntetisere "dens" protein. Forskere studerede funktionerne ved indførelsen af ​​fremmed DNA og brugte det som et princip til at indføre genetisk materiale i en celle. Denne proces kaldes transfektion.

Hvis encellede organismer eller flercellede cellekulturer er genstand for modifikation, så begynder kloningen på dette stadium, det vil sige udvælgelsen af ​​de organismer og deres efterkommere (kloner), der har gennemgået modifikation. Når opgaven er at skaffe flercellede organismer, bruges celler med en ændret genotype til vegetativ formering af planter eller introduceres i en surrogatmors blastocyster, når det kommer til dyr. Som et resultat bliver unger født med en ændret eller uændret genotype, blandt hvilke kun dem, der udviser de forventede ændringer, udvælges og krydses med hinanden.

Anvendelse i videnskabelig forskning

Selvom genteknologi allerede i lille skala bliver brugt til at give kvinder med nogle former for infertilitet en chance for at blive gravide. Til dette formål bruges æg fra en sund kvinde. Som et resultat arver barnet genotypen fra en far og to mødre.

Muligheden for at foretage mere væsentlige ændringer af det menneskelige genom står imidlertid over for en række alvorlige etiske problemer. I 2016 modtog en gruppe forskere i USA godkendelse til kliniske forsøg med en metode til behandling af kræft ved hjælp af patientens egne immunceller, udsat for genetisk modifikation ved hjælp af CRISPR/Cas9-teknologi.

I slutningen af ​​2018 blev der født to børn i Kina, hvis genom blev kunstigt ændret (CCR5-genet blev slået fra) på fosterstadiet ved hjælp af CRISPR/Cas9-metoden, som en del af forskning udført siden 2016 for at bekæmpe HIV. forældrene (far) var hiv-smittet, og børnene var ifølge udtalelsen født raske. Da eksperimentet var uautoriseret (tidligere var alle sådanne eksperimenter på menneskelige embryoner kun tilladt i de tidlige udviklingsstadier med den efterfølgende ødelæggelse af det eksperimentelle materiale, det vil sige uden implantation af embryoet i livmoderen og fødslen af ​​børn), videnskabsmanden, der er ansvarlig for det, fremlagde ikke beviser for sine udtalelser, der blev fremsat på den internationale konference om genomredigering. I slutningen af ​​januar 2019 bekræftede de kinesiske myndigheder officielt fakta om dette eksperiment. I mellemtiden blev videnskabsmanden forbudt at deltage i videnskabelige aktiviteter, og han blev arresteret.

Celleteknik

Cellulær teknik er baseret på dyrkning af plante- og dyreceller og væv, der er i stand til at producere stoffer, der er nødvendige for mennesker uden for kroppen. Denne metode bruges til klonal (ukønnet) formering af værdifulde planteformer; at opnå hybridceller, der kombinerer egenskaberne fra fx blodlymfocytter og tumorceller, hvilket gør det muligt hurtigt at opnå antistoffer.

Genteknologi i Rusland

Det bemærkes, at efter indførelsen af ​​statslig registrering af GMO'er er aktiviteten af ​​nogle offentlige organisationer og individuelle statsduma-deputerede, der forsøger at forhindre indførelsen af ​​innovative bioteknologier i russisk landbrug, steget mærkbart. Mere end 350 russiske videnskabsmænd underskrev et åbent brev fra Society of Scientific Workers til støtte for udviklingen af ​​genteknologi i Den Russiske Føderation. Det åbne brev bemærker, at et forbud mod GMO'er i Rusland ikke kun vil skade den sunde konkurrence på landbrugsmarkedet, men vil føre til en betydelig forsinkelse i fødevareproduktionsteknologier, øget afhængighed af fødevareimport og vil underminere Ruslands prestige som stat. hvor et kursus mod innovativ udvikling er blevet officielt annonceret [ betydningen af ​​det faktum? ] .

se også

Noter

1. Alexander Panchin At slå Gud // Populær mekanik. - 2017. - Nr. 3. - S. 32-35. - URL: http://www.popmech.ru/magazine/2017/173-issue/
2. Olga Volkova. 12 metoder i billeder: genteknologi. Del I, historisk (Russisk). Biomolekyle. Hentet 25. marts 2019.
3. Michael Waldholz Transformere // I videnskabens verden. - 2017. - Nr. 5-6. - S. 126 - 135.
4. In vivo genomredigering ved hjælp af et højeffektivt TALEN-system(Engelsk) . Natur. Hentet 10. januar 2017.
5. Elementer - videnskabsnyheder: Aber helbredt for farveblindhed ved hjælp af genterapi (udefineret) (18. september 2009). Hentet 10. januar 2017.
6. Transgene aber føder det første afkom (udefineret) . membrana (29. maj 2009). Hentet 10. januar 2017.
7. Genetisk ændrede babyer født (udefineret) . BBC. Hentet 26. april 2008. Arkiveret 22. august 2011.
8. B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, 2008. "Molecular biology of the cell," 5. udgave, Garland Science, USA, pp. 1302-1303
9. Kimmelman J. (2009) "Ethics of cancer gene transfer clinical research," Methods in Molecular Biology 542, 423-445
10. Wagner AM, Schoeberlein A, Surbek D. (2009) "Fetal genterapi: muligheder og risici", Advanced Drug Delivery Reviews 61, 813-821
11. Gatzidou E, Gatzidou G, Theocharis SE. (2009) "Genetisk transformerede verdensrekorder: en realitet eller i fantasiens sfære?", Medical Science Monitor 15, RA41-47
12. Lowenstein PR. (2008) "Kliniske forsøg i genterapi: etik om informeret samtykke og fremtiden for eksperimentel medicin," Current Opinion in Molecular Therapy 10, 428-430

Genteknologi og moderne bioteknologi opstod som følge af udviklingen inden for mikrobiologi, genetik og biokemi. Fremskridt inden for molekylærbiologi, molekylær genetik, cellebiologi såvel som nyopdagede eksperimentelle metoder og nyt udstyr har givet utrolige udviklingshastigheder inden for genteknologi og bioteknologi.

Formål med genteknologi

Målet med genteknologi er at ændre genernes struktur, deres placering på kromosomet og regulere deres aktivitet i overensstemmelse med menneskets behov. For at nå dette mål anvendes forskellige metoder til at muliggøre produktion af proteiner i industriel skala, skabelse af nye plantesorter og dyreracer, der bedst opfylder kravene, samt diagnosticering og behandling af forskellige smitsomme og arvelige menneskelige sygdomme.

Genteknologiforskningens formål er vira, bakterier, svampe, dyr (inklusive menneskekroppen) og planteceller. Efter at disse levende væseners DNA-molekyle er renset fra andre cellestoffer, forsvinder de materielle forskelle mellem dem. Et oprenset DNA-molekyle kan spaltes ved hjælp af enzymer til specifikke segmenter, som derefter kan sammenføjes ved hjælp af tværbindende enzymer, hvis det er nødvendigt. Moderne metoder til genteknologi gør det muligt at reproducere ethvert DNA-segment eller erstatte et hvilket som helst nukleotid i en DNA-kæde med et andet. Selvfølgelig blev disse succeser opnået som et resultat af den konsekvente undersøgelse af arveloven.

Genteknologi (genteknologi) opstod som følge af opdagelsen af ​​enzymer, der specifikt opdeler arvelighedens materielle grundlag - DNA-molekylet i segmenter og forbinder disse segmenter med ender til hinanden, samt den elektroforetiske metode, som gør det muligt at dele DNA-segmenter på langs med høj nøjagtighed. Skabelsen af ​​metoder og udstyr til at bestemme den specifikke sekvens af nukleotider, der danner et DNA-molekyle, samt til automatisk syntese af ethvert ønsket DNA-segment, sikrede udviklingen af ​​genteknologi i et hurtigt tempo.

Udviklingen af ​​videnskabsmænds ønske om at kontrollere arvelighed blev lettet af beviser, der indikerede, at grundlaget for arvelighed for alle planter og dyr er DNA-molekylet, at bakterier og fager også adlyder arveloven, at mutationsprocessen er fælles for alle levende væsener. og kan reguleres ved eksperimentelle metoder.

Louis Paster

Den store franske videnskabsmand Louis Pasteur, der havde udviklet en metode til at opnå kloner, var den første til at vise, at bakterier er mangfoldige, har arvelighed og deres egenskaber er tæt beslægtede med sidstnævnte (fig. 1, 2).

Twort og D'Herrel

I 1915 beviste Twort og D'Herrel, at fager (fager er vira, der formerer sig i bakterier), der spontant formerer sig inde i bakterier, kan ødelægge dem. Mikrobiologer satte deres håb til brugen af ​​fager mod mikrober, der forårsager farlige infektionssygdomme. Imidlertid er bakterier resistente over for fager på grund af spontane mutationer. Nedarvning af disse mutationer beskytter bakterier mod ødelæggelse af fager.

Ved at formere sig inde i en celle kan vira og fager ødelægge den eller, ved at indføre sig selv i cellens genom, ændre dens arvelighed. For at ændre en organismes arvelighed er transformations- og transduktionsprocesserne meget brugt.

Joshua og Esther Lederberg

I 1952 beviste Joshua og Esther Lederberg, ved hjælp af metoden til kopiering (replikation) af bakteriekolonier, eksistensen af ​​spontane mutationer i bakterier (fig. 3). De udviklede en metode til at isolere mutante celler ved hjælp af replikation. Under påvirkning af det ydre miljø stiger hyppigheden af ​​mutationer. Særlige metoder gør det muligt at se kloner af nye stammer dannet som følge af mutationer med det blotte øje.

Replikationsmetode bakteriekolonier udføres som følger. Steriliseret fløjlsstof strækkes over overfladen af ​​en træanordning og påføres en koloni af bakterier, der vokser på overfladen af ​​en petriskål beregnet til transplantation af replikaer. Derefter overføres kolonierne til en ren petriskål med et kunstigt næringsmedium. Materiale fra siden

Stadier af genteknologi

Genteknologi udføres i flere faser.

• Et gen af ​​interesse baseret på dets funktion identificeres, hvorefter det isoleres, klones, og dets struktur studeres.
• Det isolerede gen kombineres (rekombineres) med DNA'et fra en fag, transposon eller plasmid, der har evnen til at rekombinere med et kromosom, og på denne måde skabes en vektorkonstruktion.
• Vektorkonstruktionen indsættes i cellen (transformation), og der opnås en transgen celle.
• Modne organismer kan fås fra en transgen celle under kunstige betingelser.