Біологія 11 клас

РОЗДІЛ І РОЗМНОЖЕННЯ


ТЕМА 4. ГЕНОТИП ЯК ЦІЛІСНА СИСТЕМА


§ 20. ОСНОВНІ НАПРЯМИ СУЧАСНОЇ БІОТЕХНОЛОГІЇ. ТРАНСГЕННІ ТА ХИМЕРНІ ОРГАНІЗМИ


Терміни і поняття: біотехнологія; генна інженерія; генетично модифікований організм; трансгенний організм, трансгени; генна терапія; клітинна інженерія; химерні організми.

Біотехнологія і людина. За визнанням багатьох авторитетних учених усього світу, XXI ст. буде століттям біотехнології та генетики. Однак не слід думати, що біотехнологія — дітище лише сучасної науки.

Історія взаємин людини і природи — це споконвічна історія спроб людини змінити геноми рослин і тварин у потрібний їй бік. Навіть тоді, коли людина не мала щонайменшого поняття про існування спадкових факторів, інтуїтивно шляхом гібридизації та селекції організмів з потрібними властивостями



Мал. 78. У лабораторії, де проводять досліди з генної інженерії.


вона змінювала спадковість свіиських тварин і культурних рослин.

Усі сучасні сорти фруктів, овочів, злаків, ягід мають змінені геноми, тобто не ті геноми, які мають їх дикі предки, якщо вони вже вимерли. (Пригадайте: на Землі вже немає диких коней — тарпанів і предків наших корів і биків — турів.) Ви, напевно, пам’ятаєте, що всі сучасні сорти рослин, що їх люди використовують в їжу, — поліплоїди. Уже кілька століть тому люди почали застосовувати в господарстві міжвидові гібриди тварин, наприклад мулів.

До середини XX ст. селекціонерам доводилося чекати, коли випадкові комбінації генів дадуть корисні властивості, потім відбирати такі організми і закріплювати потрібні комбінації генів у потомстві. В першій половині XX ст. з’явилися методи, завдяки яким стало можливо штучно одержувати велику кількість випадкових мутацій (наприклад, за допомогою опромінення радіацією або дії хімічних мутагенів), щоб потім відбирати з мутантів організми з найбільш цінними властивостями. Сучасні генетичні технології пішли ще далі. Вони дають змогу одержати бажаний результат набагато швидше й при цьому уникнути безлічі проміжних і побічних форм, оскільки сучасна наука й технологія здатні змінювати геном цілеспрямовано. Це вдається завдяки генно- інженерним технологіям (мал. 78), за допомогою яких можна взяти певні структурні гени з геному одного виду і ввести їх у генетичний апарат іншого виду, викликавши таким чином у цьому організмі синтез потрібного людині білка.

Біотехнологія — дисципліна, що вивчає можливості використання живих організмів для розв’язання технологічних завдань. Вона використовує знання генетики, молекулярної біології, біохімії, ембріології, клітинної біології, а також прикладних дисциплін — хімічної, фізичної та інформаційної технологій, робототехніки.

Термін біотехнологія у 1917 р. запропонував угорський інженер К. Ерекі, коли описував процес виробництва свинини.

Генна інженерія і генетично модифіковані організми. Одним з найбільш перспективних напрямів біотехнології вважають генну інженерію — маніпуляції з генетичним апаратом і певними генами (мал. 79), що дають змогу за допомогою молекулярно-біологічних методів штучно конструювати нові генотипові комбінації або навіть утворювати нові геноми.

Найбільш молодий напрям сучасної біотехнології — одержання трансгенних організмів, тобто організмів, які містять трансгени (від лат. транс — через і грец. генос) — гени бактерій, грибів, рослин або тварин, чужорідні для цього виду організмів. Живі організми, змінені завдяки генно-інженерним маніпуляціям, дістали назву генетично модифікованих організмів (ГМО). Цінність генної інженерії в тому, що її методи допомагають здійснити давню мрію селекціонерів: додати організму такі ознаки, які не можна перенести шляхом схрещування з близькоспорідненими видами.

Генна інженерія народилася в 1972 р. у Стенфордському університеті в США, коли Пол Берг уперше об'єднав у пробірці фрагменти ДНК фага лямбда, кишкової палички і мавпячого вірусу. Отриману рекомбінантну ДНК було введено у бактерію, що стала першим трансгенним організмом.

За допомогою методів генної інженерії стало можливо створювати організми з новими, раніше не властивими їм якостями. Наприклад, відомо, що мільйони хворих на цукровий діабет потребують щоденних ін’єкцій інсуліну. (Пам’ятаєте: інсулін — відповідальний за обмін цукру в організмі гормон білкової природи, який продукує підшлункова залоза.) До того, як у процес виробництва інсуліну втрутилася генна інженерія, гормон одержували з підшлункових залоз свиней, великої рогатої худоби і китів. Свинячий інсулін відрізняється від людського однією амінокислотою, інсулін великої рогатої худоби — трьома амінокислотами, а інсулін китів — ще більшою кількістю амінокислотних заміщень. Тому зрозуміло, що найкращий інсулін для людини — людський. Але як його одержати?

У результаті генно-інженерних технологій був добутий людський інсулін, який продукують …бактерії групи кишкової палички! Для цього створили трансгенний організм, вбудувавши до геному бактерії ген людського інсуліну. В результаті невибагливі й дешеві в утриманні бактерії, що надзвичайно швидко розмножуються, синтезують інсулін абсолютно такого ж хімічного складу, як природний людський інсулін, який для людини не є чужорідною речовиною.

Не варто думати, що одержання генетично модифікованих організмів — прерогатива нашого часу. Перші препарати людського інсуліну, отримані з генетично модифікованих бактерій надійшли у продаж у 70-ті роки XX ст. й відтоді (уже близько 40 років) активно використовуються в усьому світі.

Використовуючи трансгенні бактерії, дешево, швидко й у великій кількості одержують інтерферон, імуноглобуліни, різні гормони, незамінні амінокислоти.

Генетично модифіковані рослини теж можуть виробляти лікарські речовини. Але цей напрям генної інженерії не такий перспективний. Більшість генних модифікацій рослин спрямована на розвиток стійкості до сільськогосподарських шкідників або вірусів, виживання в разі обробки полів гербіцидами, підвищення смакових і технічних якостей (мал. 80).

Уперше трансгенні рослини виростили у 1982 р. вчені Інституту рослинництва в Кельні й американської компанії «Монсанто». Відтоді тільки в цій компанії одержано понад 45 тис. ліній трансгенних рослин, у тому числі: яблуні, сливи, виноград, томати, капуста, баклажани, огірки, кукурудза, пшениця, соя, рис, жито, тютюн тощо.

Звичайно, поліпшення якості харчової продукції добиваються не тільки за допомогою генетичних модифікацій, а й іншими, традиційними


Мал. 79. Рослина у чашці Петрі під час лабораторних маніпуляцій.



Мал. 80. Трансгенну картоплю (а) та сою (б) зовні не відрізнити від звичайних сортів.


способами. Наприклад, вирощують рослини, застосовуючи велику кількість хімічних добрив, рослинних гормонів, обробляють плоди спеціальними речовинами, які уможливлюють їх тривале зберігання. У продукти додають хімічні речовини: консерванти, ароматизатори, покращувачі смаку. Генетичний склад вихідного організму при цьому не змінюється, і до генетично модифікованих організмів подібні методи поліпшення якості продукції не мають жодного стосунку.

Далекі від біології люди часто сприймають слово «модифікований» як неодмінну вказівку на те, що продукт одержаний методом генної інженерії. Наприклад, так трактують термін «модифікований крохмаль». Нагадаємо: крохмаль — це хімічна речовина, вуглевод. Модифікація крохмалю — це хімічний процес поділу довгої молекули крохмалю на коротші відрізки. Одержана внаслідок цього суміш полісахаридів має високу здатність утримувати вологу й застосовується як згущувач. Модифікований крохмаль не має ані найменшого відношення до генетично модифікованих організмів, оскільки не є організмом і не має генів.

Яким чином одержують генетично модифіковані організми. Виглядає ця процедура таким чином (мал. 81). Найчастіше у процесі створення генетично модифікованого організму і конструювання рекомбінантної ДНК використовують особливі ферменти — рестриктази (про це також йшлося вище), здатні розпізнавати чужорідну ДНК, що проникає в організм, і розщеплювати її у відповідних ділянках. Відомо понад 500 видів рестриктаз, і кожна специфічно розщеплює ДНК — ріже її, як ножиці, у конкретному місці, а потім вирізує необхідні фрагменти. Частини й розриви ниток ДНК склеюють за допомогою іншого ферменту — лігази (від лат. лігазе — з’єднати, склеїти).

Таким чином, використовуючи «ножиці»-рестриктази і «клей»-лігазу, з однієї ДНК вирізують, а в іншу ДНК вклеюють необхідні гени. Як правило, для перенесення генів використовують віруси, фаги або плазміди, оскільки вони завжди мали здатність атакувати клітини, проникати усередину і вбудовувати свою генетичну інформацію в клітинну ДНК. Віруси, фаги і плазміди, які використовують для перенесення генів, називають векторами перенесення генетичної інформації.

Що таке трансгенна картопля. Прикладом трансгенної рослини може бути сорт картоплі, у геном якої вмонтовано ген хітинази — ферменту, що розчиняє хітин. Цей ген було вилучено з ґрунтової бактерії. Трансгенна картопля починає синтезувати невластивий їй фермент хітиназу і накопичувати його в листі та стеблах. Паразитичні гриби і комахи-шкідники не можуть живитися зеленою масою такої картоплі, оскільки хітиназа ушкоджує їхні покриви. Тому трансгенна картопля не потребує обприскування отрутами. Слід відзначити, що для людського організму хітиназа не являє жодної небезпеки, адже в людини абсолютно відсутній хітин.

Чому застосування трансгенних організмів викликає певні застереження. Генетичні модифікації бактерій, рослин і тварин мають величезне


Мал. 81. Так виглядає послідовність операцій під час отримання генетично модифікованого організму.


значення для всіх сфер людського життя від сільського господарства до виробництва біопалива й охорони здоров’я. Однак існують проблеми безпеки, які не варто залишати поза увагою, впроваджуючи нові сорти генетично модифікованих організмів. Наприклад, «пересадження» рослинам гена стійкості до гербіцидів може спровокувати те, що поле, засаджене такими рослинами, почнуть обприскувати більшими дозами цих гербіцидів, ніж потрібно за технологіями. Внаслідок цього частина отрути може потрапити у воду, на сусідні лани і навіть в їжу. Не припустимі генетичні модифікації, що допоможуть рослинам синтезувати небезпечні для людини токсини.

Крім того, в результаті генетичних модифікацій у рослинах починають синтезуватися невластиві їм білки. Це може викликати алергії. Саме з такою небезпекою пов’язана необхідність маркування на вміст у їжі ГМО.

Однак слід пам’ятати, що шкода, яку можуть заподіяти нові генетично модифіковані сорти — це найчастіше шкода опосередкована. Страхи, що трансгени можуть мігрувати з генетично модифікованих організмів і вбудовуватися у геном людини, безпідставні.

Усі трансгенні сорти рослин перед їх широким застосуванням проходять ретельну перевірку на безпечність для людини і навколишнього середовища. Саме це зумовлює надзвичайно високу вартість розробки й висновку про випуск на ринок нових трансгенних рослин-продуктів (від 50 до 200 млн доларів). Як не парадоксально, але трансгенні рослини генетично набагато більш вивчені, ніж сорти, одержувані методами звичайної селекції.

Генна терапія. Донедавна діагноз «спадкове захворювання» був вироком для хворого: генетичні хвороби не лікували, полегшуючи тільки симптоми захворювання. Прикладом такого лікування може бути терапія фенілкетонурії. Не усуваючи причини хвороби, тобто дефекту генів, коригують стан хворих за допомогою дієти.

Одним з новітніх напрямів сучасної медичної генетики є генна терапія (генотерапія) — сукупність методів генної інженерії і медицини, спрямованих на лікування патологій генетичного апарату.



Мал. 82. Такі химерні тварини - лише фантазія митця.



Мал. 83. Строкаті кімнатні фіалки — справжні химерні організми, оскільки складаються з генетично різних клітин.


Можна сказати, що генна терапія — це хірургія генів. Суть генної терапії полягає в тому, що у деякі клітини хворого вводять ті гени, які у нього уражені. Для того, щоб гени проникали у клітину й вбудовувалися в її ДНК, використовують спеціальні носії-віруси.

Сама ідея генної терапії виникла після відкриття вірусів, які викликають розвиток пухлин у людини. Ці віруси мають здатність вбудовуватися у генетичний апарат людини і залишатися там протягом життя клітини.

У генотерапії використовують віруси, які в результаті генно-інженерних операцій втратили здатність утворювати пухлини, але несуть у собі вбудовані гени — такі, як уражені мутаціями у хворого.

Одним з прикладів лікування спадкових хвороб методом генної терапії є лікування найтяжчої спадкової патології — важкого комбінованого імунодефіциту (не плутати з BIЛ!). Це вроджене захворювання викликають мутації генів, у результаті чого у хворого практично повністю відсутній імунітет.

Перші спроби застосування генної терапії у лікуванні цього захворювання належать до 1990 року. В 1993 р. уперше успішно проведена генна терапія хворого на важкий комбінований імунодефіцит. Після лікування білі кров'яні клітини виконували свої функції протягом чотирьох років, тобто чотири роки працював імунітет. Після цього знадобилося повторне лікування. У наші дні кожна третя дитина у світі, що страждає важким комбінованим імунодефіцитом, лікується за допомогою генної терапії.

Сьогодні у світі апробовано й затверджено вже близько 200 генотерапевтичних протоколів лікування.

Щособоюявляютьхимерні організми. Ще одна галузь сучасної біотехнології — клітинна інженерія. На відміну від генної інженерії, що конструює нові рекомбінантні ДНК, клітинна інженерія створює рекомбінантні клітини та їх культури.

У давньогрецькому міфі Химера — істота з лев’ячою головою, козячим тулубом і хвостом дракона. Звичайно, такого монстра породила фантазія автора міфу, однак з його легкої руки у біології прижився термін химерний організм, який застосовують до організмів, що складаються з генетично різнорідних клітин (мал. 82, 83). Незважаючи на «жахливу» назву, найчастіше химери — добре відомі всім організми. Це і дика яблуня, на яку прищеплена гілка певного сорту, і прекрасна троянда, що квітне на корені шипшини (саме так вирощують багато сортів троянд). Зовсім химерою є яблуня, у крону якої прищеплена гілка груші…

Крім таких «садових» химер, сучасна наука використовує химери на клітинному рівні. Ізольовану тканинну клітину організму можна змусити жити у штучному середовищі. Безліч нащадків цієї клітини називають клітинною культурою. Для одержання химер культуральні клітини двох різних тварин обробляють спеціальними вірусними препаратами, добиваючись злиття їх ядер.

Ще наприкінці 70-х pp. минулого століття угорські дослідники повідомили про одержані клітини-гібриди хом’яка і курки, група радянських учених одержала тканинні гібриди хом’яка і лисиці, кілька американських повідомлень були присвячені гібридним клітинам людини й миші.

Навіщо ж потрібні химери? Наприклад, для картування генів. Крім того, химерні організми використовують з метою вивчення багатьох клітинних процесів, особливо дослідження генетичного апарату цих клітин. Саме вони допомагають вивчати генетичні закономірності сумісності тканин при трансплантації органів. Клітинна інженерія важлива і для генетиків-онкологів, які вивчають причини виникнення і механізм розвитку ракових пухлин.

Біотехнологія — це методологія використання біологічних об’єктів для вирішення технологічних завдань. Сучасна біотехнологія дає змогу втручатися у генетичний апарат і конструювати нові комбінації генів. Так одержують генетично модифіковані і трансгенні організми. Генетичні модифікації роблять для того, щоб додати організмам корисні властивості. Трансгенні організми використовують у фармакології, сільському господарстві, промисловості. Одним з методів генної інженерії с генна терапія, що допомагає лікувати патології генетичного апарату шляхом підсадження здорових генів.

Клітинна інженерія, на відміну від генної інженерії, не припускає втручання у генетичний апарат і створює рекомбінантні клітини, а не рекомбінантні ДНК.

Химерний організм — це організм, що складається з генетично різнорідних клітин.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити