Клеточная и генная инженерия

Содержание

Введение.........................................................................................................3

Клеточная инженерия.....................................................................................5

Биотехнологические процессы клеток...........................................................6

Генная   инженерия   и  области ее применения............................................6

Теоретические основы  генной   инженерии .................... ............................8

Методы введения ДНК в  бактериальные клетки...........................................10

Генная   инженерия   в   клетках   млекопитающих   и   эмбрионах .............10

Методы получения химер..............................................................................11

Методы трансплантации эмбрионов..............................................................13

Заключение....................................................................................................15

Литература.................................................................................................... 16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В середине 60 -х годов нашего столетия возникла новая био-

логия, развитие прикладных областей которой существенно изме-

нило процедуры получения целого ряда химических  и  фармацевти-

ческих средств. Это стало реальностью благодаря многочисленным

открытиям последующего десятилетия  в биохимии, генетике, в био-

логии  клетки   и  молекулярной биологии. Среди этих открытий уста-

новление структуры  и  функции  в   клетке  ДНК, открытие структуры 

и  функции многих ферментов. Благодаря этим открытиям были раз-

работаны методы  генной   инженерии . Стали возможным манипуля-

ции с молекулами ДНК: перенос молекул ДНК из одних организмов

в другие, получение гибридных  молекул, ранее не существовавших

в природе. Все это стало  возможным благодаря стремительному

прогрессу в вирусологии  и  бактериологии, молекулярной биологии,

энзимологии и других биологических  науках. На стыке всех этих

наук возникло новое направление  биологии - биотехнология.

Биотехнология, в сущности, не что иное, как использование

культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, мета-

болизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают

выработку специфических  веществ. Согласно определению Евро-

пейской биотехнологической федерации, созданной в 1978 году,

биотехнология на основе применения знаний и методов биохимии,

микробиологии, генетики и  химической технологии позволяет из-

влекать выгоду в технологических процессах из свойств микроорга-

низмов и клеточных культур. Она создает возможность получения с

помощью легко доступных и возобновляемых ресурсов тех веществ

и соединений, которые важны  для жизни и благосостояния людей.

В промышленном масштабе подобная биотехнология пред-

ставляет собой уже биоиндустрию. Биотехнология может использо-

ваться в традиционных отраслях промышленности и в тех отраслях,

где сама биотехнология играет ведущую роль. В традиционных от-

раслях промышленности биотехнология используется в пищевой

промышленности (синтез искусственных  приправ), текстильной

промышленности (получение  некоторых полимеров и сырья), в

энергетике (получение метанола, этанола, биогаза и водорода) и  да-

же в металлургии (извлечение некоторых металлов). Во второй

группе отраслей биотехнология  охватывает:

1. Производство продовольствия (широкомасштабное выращивание

дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, амино-

кислот, витаминов, а так  же для использования их ферментов).

      2. Сельское хозяйство (клонирование и селекция сортов растений,

производство биоинсектицидов, клонирование высокопродуктив-

ных животных).

       3.  Фармацевтическую промышленность (разработка и синтез вак-

цин, гормонов, интерферонов и антибиотиков).

      4.   Защиту окружающей среды и уменьшение ее загрязнения (очист-

ка сточных вод, переработка  хозяйственных отходов, изготовле-

ние компоста, а также изготовление соединений, поддающихся

расщеплению микроорганизмами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Клеточная инженерия.

 

Клеточная инженерия возникла, когда появился метод соматической гибридизации (1960 г.), где при совместном культивировании двух линий онкологических клеток появлялся новый их тип. Новые  клетки обладали высокой скоростью  размножения без добавления в  среду белков — факторов роста. По типу роста и морфологическим  признакам эти клетки отличались от родительских. Ядра новых клеток имеют суммарное число родительских хромосом, а также маркерные гены. Клетки сливаются, когда у них повреждены мембраны.

При слиянии клеток разных видов животных всегда происходит элиминация хромосомы одного из них. Полученные гибридные клетки стали объектами  для генетического анализа. Применение химических веществ типа полиэтилен-гликоля способствует слиянию клеток разных видов животных и даже растительных клеток с животными. Клетки, которые слились, сначала формируют одну большую клетку с двумя разными ядрами. И если в одном из ядер начинается синтез ДНК, то он стимулируется и в другом ядре. В целом оба ядра делятся одновременно, их хромосомы смешиваются и две полученные клетки имеют хромосомы обоих первоначальных видов. Они могут быть гибридами мыши и крысы, кошки и собаки, человека и мыши.

Используя клеточную инженерию  в животноводстве, можно культивировать клетки сколько угодно времени, но, в отличие от растений, из них  невозможно получить взрослый организм.

 Основу  генной  инженерии составляют эксперименты с рекомбинантными молекулами ДНК. Согласно определению Национального института здоровья

США, рекомбинантными ДНК  называют молекулы ДНК, получен-

ные вне живой  клетки , в пробирке, путем соединения природных

или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными ре-

плицироваться в клетке. Основу эксперимента составляет встраива-

ние природной или чужеродной ДНК в вектор, который представля-

ет собой плазмиду или геном вируса. Затем рекомбинантную моле-

кулу ДНК вводят, как правило, в бактериальную клетку, где она ре-

плицируется. Этот процесс называется трансформацией. Клетка,

содержащая такую рекомбинантную молекулу, размножается, обра-

зуя клон трансформированных клеток. Одна из целей биотехноло-

гии заключается в том, чтобы получить клоны трансформирован-

ных клеток, способных продуцировать специфические, чужеродные

для бактерий, белки в  больших количествах.

Не менее важна и  технология иммобилизованных ферментов,

получившая свое развитие в конце 60-х годов. По этой технологии

различные ферменты связывают  с пористым гелем или фиксируют

на поверхности твердой  подложки. Такие фиксированные (иммоби-

лизованные) ферменты находят свое применение в промышленном

производстве полусинтетических пенициллинов, получении концен-

трата фруктозы из крахмала зерновых культур и при проведении не-

сложных биохимических анализов. Еще эффективнее оказываются

иммобилизованные клетки или клеточные органеллы, поскольку

они содержат все необходимые  гены для синтеза сложных соедине-

ний.

 

Биотехнологические  процессы клеток.

 

Биотехнологические процессы прежде всего связаны с ис-

пользованием  клеток  грибов и микроорганизмов, однако, не менее

существенную роль играет и использование  клеток  животных, на-

пример для культивирования  вирусов, при производстве вакцин, для

получения интерферона, а  так же при синтезе моноклональных ан-

тител  клетками  гибридом.

Для проведения работ, связанных  с использованием животных 

клеток  необходимо получить эти  клетки  в достаточном количестве.

Суспензию отдельных  клеток  получают обработкой размельченной

ткани  эмбриона  пищеварительным ферментом трипсином. Если 

клеткам  в такой суспензии дать осесть на плоскую поверхность в

сосуде с культуральной средой, то клетки становятся плоскими  и 

делятся, образуя монослой. В обычной методике культивирования

пользуются цилиндрическими  бутылями, которые медленно враща-

ются вдоль своей длинной оси. Суспензионные культуры клеток

удается также получать в  сосудах объемом до 1000 литров при  пе-

ремешивании. Деление клеток млекопитающих происходит при-

мерно раз в сутки, тогда  как клетки дрожжей делятся каждые 1,5-2

часа, а бактериальные  клетки - каждые 20-60 минут. При выращива-

нии в культуре,  клетки  млекопитающих могут свободно плавать в

среде или образовывать монослой на поверхности сосуда. Они нуж-

даются в многочисленных питательных веществах, поэтому  в куль-

туральную среду необходимо добавлять смесь аминокислот, дезок-

сирибонуклеотидов  и  рибонуклеотидов для синтеза белков, ДНК и

РНК, глюкозу в качестве источника углерода и энергии, витамины и

минеральные соли для поддержания  осмотического давления и зна-

чения pH, близкого к 7,2. Среда содержит также небольшие концен-

трации антибиотиков для подавления роста бактерий и 5 - 20% сы-

воротки крови человека или  эмбриона  крупного рогатого скота. Для

оптимального роста температуру  культуры необходимо поддержи-

вать около 37^оС. Ниже 36^оС  клетки  либо делятся крайне медленно,

либо не делятся вовсе, а при температуре выше 38^оС погибают.

Большинство культур клеток млекопитающих, в том числе и  клеток

человека, удается сохранять  неопределенно долгое время заморо-

женными в специальной среде в жидком азоте при температуре -

180^оС.

 

 

Генная   инженерия   и  области ее применения.

 

Генетическая рекомбинация заключается в обмене генами

между двумя хромосомами. Рекомбинация - это любой процесс,

способный привести к возникновению  клеток  или организмов с

двумя или более наследственными  признаками , по которым их ро-

дители различались бы между собой и которые соединены новым

способом. Такая рекомбинация обязательно происходит у животных

и растений при образовании  половых клеток. В ходе мейоза гомоло-

гичные хромосомы обмениваются участками (происходит кроссин-

говер). Именно эти обмены, а так же независимое расхождение хро-

мосом в анафазе I мейоза объясняет генетическое многообразие

особей вида. Обмен генетическим материалом происходит  и  у виру-

сов  и  бактерий, но значительно реже, чем у высших организмов. Ге-

нетическая рекомбинация происходит между организмами одного  и 

того же или близких  видов. Причиной невозможности естественно-

го обмена генетической информацией между особями разных видов

является отсутствие гомологии  между нуклеотидными последова-

тельностями их ДНК.  Генная   инженерия , то есть рекомбинация in

vitro (вне организма) не требует наличия такой гомологии.

В 1972 году появилась первая публикация, в которой сообща-

лось о получении in vitro рекомбинантной (гибридной) ДНК, со-