Урок 16
Тема: Огляд традиційних біотехнологій. Генетично модифіковані організми.
1. Загальні відомості
Біотехнологія – це використання організмів, біологічних систем чи біологічних процесів у промисловому виробництві. До галузей біотехнології належать: генна, хромосомна та клітинна інженерія; клонування сільськогосподарських рослин і тварин; використання мікроорганізмів у виготовленні хліба, вина, ліків тощо.
Сучасні біотехнології поділяються на три основні групи:
1) Цитотехнології (клітинні технології) – вирощування клітин ембріона або дорослої людини для подальшої пересадки; використання культур клітин для вирощування вірусів з метою отримання інтерферонів; вирощування клітин рослин на поживних середовищах для отримання рослин із заданими властивостями.
2) Гістотехнології (тканинні технології) – вирощування шкіри, шматочків печінки, органів для трансплантації.
3) Ембріотехнології (зародкові технології) – штучне запліднення для подолання безпліддя; зберігання заморожених клітин та зародків; розведення напівзниклих видів тощо.
За допомогою сучасних біотехнологій здійснюють:
- Отримання лікарських препаратів на культурах мікроорганізмів та еукаріотичних клітин, зокрема антибіотиків (пеніцилін, стрептоміцин), вакцин, сироваток, імуноглобулінів, гормонів, вітамінів (С, В), ферментів.
- Отримання замінників цукрі (ас партам та ін.).
- Отримання кормових добавок та біологічно активних речовин для підвищення продуктивності тваринництва: кормового білка, амінокислот, ферментів, вітамінів, ветеринарних препаратів.
- Отримання продуктів харчування (випікання хліба, отримання сирів, виноробство)
- Розробка покладів руд та отримання рідкісних і кольорових металів.
- Розробляння безвідходних технологій (використання бактерій для утилізації побутових відходів, полімерних матеріалів).
- Створення мікробіологічних засобів захисту рослин від хвороб та шкідників, бактеріальних добрив та регуляторів росту рослин.
- Створення нових порід тварин, сортів рослин та штамів мікроорганізмів.
- Застосування мікроорганізмів у боротьбі із забрудненням довкілля (біологічне очищення стічних вод, забруднення грунту тощо).
2. Досягнення біотехнології
Ембріотехнології
Ембріотехнологія — це технологія, що включає одержання незрілих яйцеклітин молодих тварин, їхнє дозрівання й запліднення in vitro, а також пересадження отриманих ембріонів у матки реципієнтів. Застосування методу дозволяє досягати швидкої зміни поколінь.
Наприклад, за допомогою пересаджування ембріонів можна істотно збільшити вихід числа нащадків від високопродуктивних корів. Трансплантація ембріонів, або ембріотехнологія, полягає в одержанні одного або кількох ембріонів з матки племінних тварин (донорів) і пересаджуванні в матку корів (реципієнтів), де ембріони розвиваються до отелення. Цей метод у поєднанні із суперовуляцією в донорів дозволяє отримати велике потомство від високопродуктивних тварин. Цим способом ембріони можна ввести в ту чи іншу породу в інших регіонах, використовуючи як реципієнтів корів м’ясних порід.
Застосування цього методу спрощує також обмін генофондом сільськогосподарських тварин між країнами й континентами. Пересаджування ембріонів може бути використане для отримання потомства від цінних, але безплідних корів, що втратили здатність до розмноження в результаті нещасного випадку, хвороби або за віком.
Також цей метод широко використовується для подолання безпліддя у жінок і є основою штучного запліднення. Також він дозволяє зберігати заморожені сперматозоїди та яйцеклітини, даючи можливість бездітній парі народити дитину з часом. Завдяки ембріотехнологіям створюються банки сперматозоїдів, яйцеклітин, ембріонів.
Стовбурові клітини
Мабуть, наймолодшим напрямком сучасної медицини можна вважати клітинні технології, в яких клітини є джерелом тих або інших необхідних чинників, наприклад пухлинних антигенів під час вакцинотерапії. Але використовувати клітину можна не тільки як джерело будь-яких субстанцій, а й для регенеративної медицини. Тут особливий інтерес викликають технології, засновані на стовбурових клітинах. Здатність до необмеженого поділу й перетворення на різні типи клітин (так звана плюрипотентность) робить їх ідеальним матеріалом для трансплантаційних методів терапії. Найбільш доступними вважаються стовбурові клітини дорослого організму. Однак реальний потенціал їх диференціювання ще мало вивчений.
Термін «стовбурова клітина» (СК) був уведений у біологію О.О. Максимовим 1908 р. Досліджуючи процеси кровотворення, він дійшов висновку: у нашому організмі протягом усього життя зберігаються недиференційовані клітини, які можуть перетворюватися на лімфоцити та інші спеціалізовані клітини сполучної тканини й крові. Пізніше О. О. Максимов назвав ці клітини стовбуровими.
На ранніх стадіях розвитку ембріона клітини неспеціалізовані. На відміну від звичайних клітин, приречених виконувати чітко визначені функції в організмі, СК у процесі розвитку мають можливість набувати спеціалізації.
СК розмножуються шляхом поділу, як і всі інші клітини. Відмінність полягає в тому, що вони можуть ділитися необмежено, а зрілі клітини зазвичай мають обмежену кількість циклів поділу. Тож говорять, що СК здатна до проліферації, тобто до тривалого розмноження і репродукції великої кількості клітин.
Вони здатні до диференціювання — процесу необоротної спеціалізації клітин. Сили, що дають поштовх початку диференціювання, очевидно, можуть бути внутрішніми й зовнішніми. Внутрішні сигнали управляються генами клітини, а зовнішні — хімічними речовинами, які виділяють інші клітини, фізичним контактом із сусідніми клітинами, а також деякими молекулами навколишнього середовища.
Протягом життя в дорослому організмі постійно відбувається загибель клітин різних тканин, як у результаті природного відновлення (апоптоз), так і через ушкодження (некроз). Унаслідок цього в організмі постійно відбуваються процеси відновлення (репарації) втрачених клітин. У результаті клітинного поділу зі стовбурових клітин виникають материнська й дочірня клітини. Материнські використовуються для отримання популяції, а дочірні або перетворюються на камбіальну клітину, або безпосередньо диференціюються.
Потрапляючи в організм під час трансплантації, СК продовжують ділитися й самі знаходять місце, де їхня допомога найпотрібніша. Ця здатність СК отримала назву хоумінга.
Отже, хоумінг — це здатність клітин до міграції в «потрібне місце» — «рідний» орган і тканину (у свою стовбурову нішу) або в ділянку ушкодження.
Надзвичайно привабливими для використання в медицині є ембріональні стовбурові клітини (ЕСК) людини: з них можна отримувати будь-які типи клітин організму. Але багато властивостей і клітинні механізми так званої «стовбурової» клітини ставлять її дуже близько до трансформованої, ракової клітини. Саме тому так важливо сьогодні вивчати характеристики ембріональних клітин.
Ембріональні стовбурові клітини отримують із внутрішньої клітинної маси бластоцисти на найбільш ранніх стадіях розвитку ембріона, коли вона ще не імплантувалася в стінку матки. Саме з клітин внутрішньої клітинної маси в подальшому розвивається цілий організм.
Незважаючи на дебати про етичність чи неетичності роботи з ЕСК людини, очевидно, що питання вже не в тому, чи проводити дослідження у сфері ЕСК людини, а в тому, як будуть проводитися дослідження в цій галузі. За останні два роки у великій кількості країн уже були прийняті закони, які дозволяють дослідження ембріональних стовбурових клітин людини.
Використання мікроорганізмів
Здавна людина опанувала використання дріжджів, бактерій для виготовлення хлібу, вина, молочної продукції. Мікроорганізми використовувалися також для обробки шкіри та рослинних волокон. У ХХ ст. за їх допомогою було отримано перший антибіотик - пеніцилін.
Сьогодні для вивільнення металів із стічних вод використовуються штами бактерій Citobacter та Zoogloea, які здатні накопичувати уран, кадмій, мідь, кобальт. Інші бактерії (Rhodococcus. Nocardia) застосовують у емульгуванні та сорбції вуглеводнів нафти з водного середовища. Вони здатні розділяти водну та нафтову фракції, концентрувати нафту та очищувати стічні води від домішок. Асимілюючи вуглеводні, ці бактерії перетворюють їх на білки, вітаміни групи В та каротини.
Деякі зі штамів галобактерій застосовують для видалення мазуту з піщаних пляжів.
Отримано генномодифіковані штами, що здатні розщеплювати октан, камфору, нафталін, ксилол, ефективно утилізувати сиру нафту.
Штами бактерій Pseudomonas та Sulfolobus використовують для видалення сірки з вугілля, що допомагає вирішити одну з найбільших екологічних проблем. Адже при спалюванні вугілля відбувається сильне забруднення повітря сполуками Сульфуру.
3. Створення химерних організмів
Термін «химера», або генетичний мозаїк, використовується головним чином для одержання організмів, які складаються із генетично різних клітинних популяцій більше ніж від однієї заплідненої яйцеклітини.
З вузькогенетичної точки зору химери – це продукти об'єднання двох і більше ембріонів, внаслідок чого вони мають складний комбінований генотип. Є можливим завдяки злиттю ембріонів на ранніх стадіях.
Химери можуть поєднувати цінні в господарськім відношенні ознаки, які відсутні у звичайних тварин або слабко виражені. Це стосується антагоністичних ознак, як, наприклад, молочна й м'ясна продуктивність великої рогатої худоби, якість вовни й м'ясна продуктивність овець і т.д. Створення ін'єкційних химер методом введення в ранній ембріон певних ліній клітин дозволить поліпшити імунну систему й підвищити опірність тварин до хвороб.
Найбільш часто химери трапляються серед рослин, причому як в природних умовах (під час мутації соматичних клітин), так і в експериментальних умовах (внаслідок оброблення мутагенами, поліплоїдогенами, колхіцином, інших впливів). Рослини, отримані щепленням, теж являють собою химери.
Найчастіше химеризм трапляється в рослин, що розмножаються вегетативним способом — оскільки лише в цьому разі ознаки химерності зберігаються досить довго. При статевому розмноженні можливо спадкування химерності, яка виникає через настабільність алелей. У цьому випадку спадкування ознак не підкоряється менделевським законам і вважається нестабільною мутациєю. У природі вони рідкісні: утворюються, як правило, лише в результаті випадкової гібридизації або механічних пошкоджень.
4. Генетично модифіковані організми
Генетично модифікований організм (ГМО) — організм, генотип якого було змінено за допомогою методів генної інженерії. Генетична модифікація відрізняється від природного та штучного мутагенезу саме направленою зміною генотипу. При цьому генетичний матеріал переносять з одного організму в інший, використовуючи технологію рекомбінантних ДНК. Якщо при цьому ДНК, яку переносять, походить з іншого виду, отримані організми називають трансгенними.
ГМО використовують в біологічних та медичних дослідженнях, виробництві ліків, генній терапії та у сільському господарстві. За допомогою ГМО вивчаються закономірності розвитку деяких захворювань, процеси старіння та регенерації. Генну інженерію використовують для створення нових сортів рослин, стійких до несприятливих умов середовища, гербіцидів та шкідників або рослин, що мають покращені ростові та смакові якості. Згідно з Міжнародною службою з придбання агро-біотехнічних розробок (ISAAA), у 2010 приблизно 15 мільйонів фермерів вирощували генетично модифіковані культури у 29 країнах.
Загальна комерційна цінність біотехнологічних культур, вирощених у 2008 році була оцінена у 130 мільярдів доларів. Найбільше вирощують генетично модифіковану сою, кукурудзу та бавовну.
Не менш широко використовують транс-модифікованих тварин. У лютому 2009 FDA схвалила перші біологічні ліки з ГМ тварини кози. Препарат, ATryn, є антикоагулянтом, який знижує імовірність утворення тромбів під час хірургічного втручання при народженні дитини. Його екстрагують з козячого молока.
Генетично модифіковані рослини — це рослини, ДНК яких модифіковане шляхом застосування генетично інженерних методів. Основною ціллю створення ГМ рослин є представлення нових сортів із специфічними ознаками, які не притаманні для рослин цього виду. Прикладом таких ознак можуть бути стійкість до різного роду гербіцидів, шкідників, стійкість до несприятливих умов зовнішнього середовища (солестікість, посухостійкість тощо) чи набуття нових якостей харчового значення.
Один з найперспективніших напрямків генної інженерії — «вирощування ліків на фермі» — отримання з молока трансгенних тварин великої кількості рідкісних або дорогих білків, що застосовуються у медицині. Не всі білки можна отримати з бактерій, оскільки іноді для їх експресії потрібна укладка або модифікація, можлива лише з використанням апарату, який є тільки у ссавців. На сьогодні одним з найвдаліших підходів до отримання таких білків — використання молока трансгенних тварин . Цей підхід з великим комерційним успіхом використовується компанією PPL Pharmaceuticals, заснованою у 1987 році в Единбурзі для виробництва альфа-1-антитрипсина. Це білок, що міститься в крові людини. Мутація в гені, що кодує цей білок, призводить до неконтрольованої активності еластази і в кінцевому рахунку до емфіземи легень. Зараз ген, що кодує альфа-1-антитрипсин, вбудований у геном вівці, його отримують з молока (він становить близько 50% загальної кількості білка, що присутній у молоці) і використовують як препарат для лікування емфіземи.
Один з інших напрямків у створенні трансгенних тварин — прискорення їх росту та інших якостей, важливих для господарства. Наприклад, у геном лосося ввели ген, що кодує гормон росту бельдюги, який активує гормон росту лосося. Такий лосось ріс у 10 разів швидше ніж звичайний і його вага у 30 разів перевищувала норму.
5. Домашнє завдання
1) Зробити конспект
2) Підготуватися до контрольної роботи
3) Виконати тестові завдання
Код доступу 3701701
посилання
join.naurok.ua
join.naurok.ua
Увага!!! Тест активний до 23 травня до 12.00
де тест?
ВідповістиВидалити