Підручник Біологія 9 клас - В. І. Соболь - Абетка 2017

Тема 9. БІОЛОГІЯ ЯК ОСНОВА БІОТЕХНОЛОГІЇ ТА МЕДИЦИНИ

§ 64. ОСНОВИ ГЕНЕТИЧНОЇ ІНЖЕНЕРІЇ

На відміну від природної гібридизації генетична інженерія долає видові бар'єри.

Дитяча енциклопедія

Основні поняття й ключові терміни: ГЕНЕТИЧНА ІНЖЕНЕРІЯ. Генотерапія. Пригадайте! Що таке селекція?

Новини науки

Американські науковці вилікували двох самців мавп виду саймірі звичайний (Sаіmігі sciureus) від вродженого дальтонізму. Вчені зробили це за допомогою штучних вірусів, перемістивши ген людського білка йодопсину в клітини мавп. Ці результати мають практичне значення, оскільки стало зрозуміло, що можна здійснювати лікування дальтонізму і в людини. А який напрям науки займається такими дослідженнями?

ЗМІСТ

Чим генетична інженерія відрізняється від класичної селекції?

Генетична інженерія - це дуже молодий напрям науки на межі молекулярної біології, генетики й біотехнології, метою якого є створення організмів із новими комбінаціями спадкових ознак. Народився цей напрям досліджень в 1972 р., коли Пол Берг уперше поєднав у пробірці ДНК вірусу SV40 (спричиняє появу пухлин у мавп) з ДНК бактеріофага лямбда (паразитує в клітинах кишкової палички). Так було отримано першу рекомбінантну ДНК (рекДНК) - молекула ДНК, яка поєднує в собі генетичний матеріал, виділений з різних біологічних джерел. Це стало початком розробки біотехнології одержання рекДНК, що є основою генетичної інженерії. У своєму інтерв’ю на сайті Нобелівського комітету Пол Берг говорив: «Не зовсім коректно називати мене батьком генноі інженерії. Ми зробили лише перший крок на шляху до неї». Далі відбулись відкриття ферментів, що розрізають і зшивають ланцюги ДНК, методів визначення послідовності нуклеотидів ДНК (метод секвенування), методів клонування генів та ін. Ці дослідження дають змогу конструювати генетичні структури й отримувати організми з потрібними ознаками.

У чому ж переваги генетичної інженерії перед селекцією? Під час створення нових порід, сортів чи штамів селекція стикається з такими проблемами, як несхрещуваність видів, некерованість ззовні процесами рекомбінації ДНК, непередбачуваність комбінацій ознак серед нащадків та ін. Селекція у своїх дослідженнях спирається на добір ознак та внутрішньовидову гібридизацію. На все це витрачається дуже багато часу, використовуються різні мутагени для штучного мутагенезу і не завжди результати відповідають очікуваним сподіванням.

Іл. 176. Американський біохімік П. Берг (1926)

Перевагою генетичної інженерії є швидка, цілеспрямована і контрольована зміна ознак з використанням генетичного матеріалу не лише організмів одного виду, а й різних неспоріднених видів. Так, генетичні структури бактерій можуть переноситись у клітини рослин, а гени людини - у клітини бактерій. Методи генетичної інженерії дають змогу значно прискорити селекційні процеси: термін отримання нових форм організмів скоротився до 3 - 4 років замість 10 - 12 років, необхідних із застосуванням методів селекції. І ще одна перевага полягає в тому, що генетична інженерія досліджує процеси рекомбінації й отримання нових генетичних структур поза організмом, оскільки молекулярна біологія довела, що природні механізми збереження стабільності геному змінити неможливо і небезпечно.

Поняття «генетична» та «генна» інженерія часто вживаються як синоніми, хоча перший із них ширшим і передбачає маніпуляції не лише з окремими генами, а й з більшими фрагментами геному, включаючи цілі хромосоми.

Отже, ГЕНЕТИЧНА ІНЖЕНЕРІЯ - напрям науки, метою якого є створення генетичних структур та організмів з новими комбінаціями спадкових ознак.

Які методи генетичної інженерії?

Для створення організмів з генетично зміненою спадковістю в генетичній інженерії застосовують специфічні ферменти та методи (іл. 177).

Для отримання генів, їх поєднання з векторами (плазмідами чи вірусами) в генетичній інженерії використовують ферменти: ревертази (ферменти, які каталізують синтез нитки ДНК на матриці іРНК), рестриктази (ферменти, які розрізають нуклеотидні послідовності в певних місцях), лігази (ферменти, які поєднують нуклеотидні послідовності). Основними методами генетичної інженерії є: 1) методи отримання генетичного матеріалу (для отримання генів шляхом хімічного чи матричного синтезу, виділення природних генів із геномів, створення рекДНК); 2) методи копіювання і розмноження генів (для розмноження молекул ДНК у складі плазмід чи молекул ДНК вірусів); 3) методи перенесення і включення генетичного матеріалу в геном (для перенесення генів за участі плазмід-векторів, вірусів-векторів чи за допомогою ліпосом).

Іл. 177. Окремі етапи створення трансгенного сорту кукурудзи

Отже, сутність сучасних досліджень генетичної інженерії полягає в тому, що рекомбінацію генів здійснюють in vitro, потім спрямовано переносять генетичні структури в клітини організму, далі закріплюють ці гени в ДНК та забезпечують передачу інформації.

Яка роль генетичної інженерії у сучасних біотехнології і медицині?

Завдяки генетичній інженерії особливо швидко розвиваються сільськогосподарський та медичний напрями досліджень.

В сільському господарстві генетична інженерія відкрила перспективи створення трансгенних організмів із заздалегідь запланованими властивостями. За останні 15 років пройшли польові випробування близько 25 000 різних трансгенних культурних рослин. Для поліпшення властивостей культур науковці намагаються зробити їх стійкими до засухи, заморозків, шкідників, а також щоб могли фіксувати азот. Розвинуто індустрію трансгенних тварин, які широко використовуються для наукових цілей, як джерело органів для трансплантації, як виробники білків, для тестування вакцин та ін. Одним з найперспективніших напрямів є «вирощування ліків на фермі» - отримання з молока трансгенних тварин великої кількості білків, що застосовуються у медицині. За участі штамів мікроорганізмів вже сьогодні отримують інсулін, інтерферони, гормон росту, ферменти, вітаміни, вакцини, антитіла та ін.

Генетична інженерія допомагає медикам боротися з хворобами. Розвивається генотерапія - сукупність методів лікування спадкових, онкологічних, деяких вірусних захворювань шляхом внесення змін у генетичний апарат клітин пацієнтів з метою спрямованої зміни генних дефектів або надання клітинам нових функцій. У генотерапії виокремлюють такі види, як: а) соматична генотерапія - введення генів у соматичні клітини пацієнта; б) позаорганізмова генотерапія - введення генів у культивовані клітини і пересадка цих клітин пацієнтам.

Нині у світі близько 400 проектів проходять клінічні випробування, серед яких проекти лікування гемофілії та пухлин мозку вже на завершальному етапі.

З метою запобігання інфекційним хворобам створюються ДНК-вак- цини - генетичні структури, що після введення в клітину забезпечують синтез білків, призначених для формування імунних реакцій - гуморального та клітинного імунітету.

Зазначимо, що генетична інженерія може призвести до утворення небезпечних типів ДНК. Через те усім спеціалістам, які проводять дослідження та впроваджують у життя здобутки генетичної інженерії, слід мати на увазі теоретичний ризик того, що штучно створені генетичні структури можуть сприяти виникненню небезпечних організмів з непередбаченою інфекційністю й негативним впливом на екологію.

Отже, генетичні структури, створені за допомогою генетичної інженерії, можуть значною мірою сприяти розв'язуванню проблем людства.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Завдання на застосування знань

Завдяки генетичній інженерії нині застосовуються різні біосинтетичні речовини. Зіставте назви цих речовин із їхніми визначеннями та отримайте прізвище науковця, який розробив метод визначення послідовності нуклеотидів ДНК.

1 Інсулін

Е2 Речовини, які формують специфічний гуморальний імунітет

2 Ціанкобаламін

Г Речовини, які формують неспецифічний гуморальний імунітет

3 Соматотропін

С Гормон підшлункової залози, що регулює вміст глюкози в крові

4 Інтерферони

Н Гормон гіпофіза, що впливає на ріст організму

5 Антитіла

Р Препарати, за участі яких формується штучний активний імунітет

6 Вакцини

Е1 Водорозчинний вітамін, що необхідний для кровотворення

1

2

3

4

5

6

Біологія + Фізика

Векторами в генетичній інженерії називають молекулу нуклеїнової кислоти, що здійснює доставку генетичного матеріалу до клітини та забезпечує його реплікацію чи експресію. Векторами найчастіше слугують плазміди (кільцеподібні молекули ДНК) та молекули ДНК бактеріофагів. Що таке вектори в фізиці?

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Здоров'я

Картопля - одна із найпопулярніших у нашій країні культур. На жаль, велика кількість її врожаїв втрачається через колорадського жука. Це змушує землеробів використовувати різноманітні хімічні засоби. Генетична інженерія поставила за мету створити високоврожайні та стійкі до колорадського жука сорти картоплі. Застосуйте свої знання та оцініть переваги та можливі ризики застосування таких сортів картоплі для здоров’я людини.

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1 - 6

1. Що таке генетична інженерія? 2. Хто є батьком генетичної інженерії? 3. Назвіть основні методи генетичної інженерії. 4. Які основні етапи генетичної інженерії трансгенних організмів? 5. Що таке генотерапія? 6. Що таке ДНК-вакцини?

7 - 9

7. Чим генетична інженерія відрізняється від класичної селекції? 8. Як створюються організми з новими ознаками? 9. Яка роль генетичної інженерії у біотехнології та медицині?

10 - 12

10. Оцініть на конкретному прикладі переваги та можливі ризики застосування трансгенних сортів рослин для здоров'я людини.



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