Биология

Генная инженерия
План урока:
Технология генетической инженерии
Генетически модифицированные (трансгенные) организмы
О технологиях генной инженерии в производстве инсулина и генной терапии есть информация в другом уроке
Что такое генная инженерия
Термин «генетическая инженерия» или «генная инженерия» появился в 1970-х годах. Уже в 1972 году это направление стало самостоятельной научной дисциплиной. Тогда группа учёных под руководством Пола Берга создала искусственным путём первую гибридную или рекомбинантную ДНК.
Термины «гибридная» и «рекомбинантная» означают, что эта ДНК была составлена из фрагментов ДНК разных организмов: вируса sv-40, бактериофага λи бактерии E. coli (кишечной палочки).
Суть генной инженерии как раз и заключается в конструировании новых генетических структур (рекомбинантных ДНК) и создании организмов с новыми генетическими свойствами. Эта технология открыла новые возможности, вот некоторые из них:
- Производство больших количеств новых лекарственных препаратов (инсулин).
- Лечение наследственных заболеваний.
- Создание плодовитых растений, устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды.
- Создание микроорганизмов и животных с новыми признаками.
- Создание вакцин нового поколения.
Технология генетической инженерии
Технология генетической инженерии состоит их 3 основных шагов:
- Выделение гена с нужными свойствами.
- Соединение гена с носителем — вектором.
- Внедрение носителя с геном в организм.
На этом принципе построено производство инсулина, о котором шла речь в другом уроке
Для того, чтобы вырезать или вставить нужный ген, используют ферменты рестриктазы и лигазы. Рестриктаза вырезает ген, а лигаза сшивает фрагменты ДНК и восстанавливает её структуру двойной спирали.
Рестриктазы — ферменты, которые «разрезают» ДНК в определённых участках. Цветная линия (голубая или красная) показывает место разделения ДНК.
Лигаза — фермент, который «сшивает» фрагменты ДНК.
Для того, чтобы в новом организме ген не разрушился и не затерялся, его нужно сначала поместить в более крупную и устойчивую конструкцию. Эта конструкция-носитель называется вектор, обычно это молекула ДНК. Она обладает двумя важными свойствами:
- она самостоятельно реплицируется в клетках организма;
- с неё считывается вставленный ген.
В качестве векторов используют:
- плазмиды — маленькие кольцевые ДНК бактерий;
- фаги — вирусы, поражающие бактерии;
- вирусы;
- космиды — векторы со свойствами плазмиды и фага.
Плазмида
1 — геномная ДНК бактерии.
2 — плазмида (дополнительная ДНК, которой бактерии обмениваются друг с другом).
Теперь остаётся внедрить вектор с геном в организм. Существует несколько способов введения вектора, один из них будет рассмотрен на примере трансгенных растений.
Генетически модифицированные (трансгенные) организмы
Выведение новых сортов растений и пород животных занимает несколько лет. Иногда только в конце жизни исследователь может увидеть результаты своего труда. Идея создания трансгенных или генетически модифицированных организмов (ГМО) заключается в том, чтобы за короткий срок получить организмы с выгодными для человека свойствами.
Например, это могут быть растения, которые приносят большой урожай и устойчивы к морозам, засухе, инфекциям, а также насекомым-вредителям. Благодаря этому можно быстро и дёшево получить продукты питания, а также отказаться от инсектицидов (токсических средств для уничтожения насекомых).
Например, отработана технология создания трансгенного картофеля, устойчивого к колорадскому жуку. В природе существуют бактерии Bacillus thuringiensis, которые вырабатывают особый белок. Когда колорадский жук съедает этот белок, в его кишечнике он расщепляется и преобразуется в токсин, смертельный для насекомого.
Эффект токсина бактерии Bacillus thuringiensis. Внизу листья растения обработаны токсином.
Сейчас этим белком обрабатывают растения. Об этом можно прочитать в уроке
При распылении трудно дозировать количество средства. И хотя токсин безопасен для человека и животных, он может повлиять на других насекомых. Генная инженерия позволяет создать картофель, который сам синтезирует токсин против колорадского жука. Технология этого процесса очень сложная и в упрощённом виде выглядит так:
- Собирают колорадских жуков, которые погибли в естественных условиях. Бактерии с их тела переносят в чашку Петри, где выращивают колонии Bacillus thuringiensis.
- Ген, который кодирует токсин, находится не в основной ДНК клетки, а в плазмиде — маленькой кольцевой ДНК, которую бактерии передают друг другу. Его выделяют из бактерии Bacillus thuringiensis.
- Делают много копий гена. Для этого фрагмент ДНК с геном встраивают в плазмиду кишечной палочки E.coli. Кишечная палочка играет роль фабрики по производству копий гена. Принцип тот же, что и с производством инсулина (об этом в уроке).
- Ген переносят в плазмиду бактерий Agrobacterium tumefaciens.
- Бактерии Agrobacterium tumefaciens вводят свои плазмиды в клетки растения. В обычных условиях гены из плазмиды встраиваются в геном растений и вызывают опухоли — корончатые галлы. В данном случае плазмиды агробактерий несут конструкцию с геном токсина бактерии Bacillus thuringiensis, который будет встроен в геном растения.
- Отделяют трансгенные клетки картофеля, из которых будут получены новые растения, устойчивые к колорадскому жуку.
Клетки растения, трансформированного с помощью бактерий Agrobacterium
Бактерии рода Agrobacterium могут передать плазмиду не всем растениям, например, они не взаимодействуют со злаками. В таком случае ген вводят сразу в клетки растения.
Помимо картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, существуют и другие трансгенные растения. Например, «золотой рис» с большим количеством бета-каротина, из которого в организме будет образован витамин A. Трансгенные растения проходят тщательную экспертизу на токсичность, аллергенность и другие опасные свойства.
Идея создания ГМО преследует благородные цели:
- Быстро и дёшево накормить большое количество людей.
- Отказаться от пестицидов — ядовитых веществ, которые используют в борьбе с насекомыми, сорняками и возбудителями болезней растений. При обработке растений пестициды загрязняют окружающую среду.
Но практика показала, что не всё так просто, и среди учёных есть противники создания трансгенных растений и животных. Они придерживаются следующего мнения:
- Геном растений и животных гораздо сложнее, чем геном бактерий. Поэтому если получилось превратить кишечную палочку E. coli в фабрику по производству инсулина, то в манипуляциях с геномом растений трудностей больше. Технологии внедрения гена не так совершенны, как этого хотелось бы.
- Возможно, что внедрённый ген будет оказывать влияние сразу на несколько признаков.
- Внедрённая генетическая конструкция может быть не очень устойчивой и влиять на другие гены.
- В природе подобного переноса генов между настолько далёкими видами не существует.
- Трансгенные растения могут вытеснить из среды обитания местные виды.
- Семена трансгенных растений могут быть перенесены птицами в другие регионы. Трудно предсказать, как они себя поведут.
- Если произойдёт опыление родственных сорняков пыльцой трансгенных растений, может вырасти очень плодовитый и устойчивый к гербицидам суперсорняк.
Поэтому до сих пор вокруг ГМО ведутся споры. Сторонники трансгенных продуктов основываются на том факте, что в организм человека каждый день с пищей попадает огромное количество чужеродных генов. Но они разрушаются пищеварительными ферментами и не могут встроиться в человеческую ДНК или нанести иной вред.
Противники ГМО приводят результаты экспериментов, которые показывают, что длительное употребление в пищу продуктов с ГМО вызывает кратковременное ухудшение состояние здоровья лабораторных животных. Отсроченные эффекты, которые могли бы появиться спустя годы после употребления ГМО, ещё не изучены. Однако и вокруг самих этих исследований ведутся споры: насколько правильно они выполнены и стоит ли верить результатам.
Вакцины
Благодаря генной инженерии удалось создать новое поколение вакцин от многих болезней. Их главное свойство в том, что они безопаснее и эффективнее вакцин предыдущих поколений.
Вакцины на основе живых или убитых микроорганизмов
Первые вакцины и некоторые современные вакцины содержат ослабленный живой или убитый возбудитель болезни. Вакцины с ослабленным живым возбудителем крайне редко вызывают «настоящее» заболевание, обычно оно протекает легко или не развивается совсем.
С помощью генной инженерии можно изменить микроорганизм так, что полноценная болезнь не разовьётся, но иммунная система всё равно даст свой ответ и «запомнит» возбудителя.
Например, в США была разработана подобная вакцина против холеры. Холера относится к особо опасным инфекциям и обычно протекает как кишечная инфекция. Её возбудителем является бактерия Vibrio cholerae (холерный вибрион), важную роль в развитии болезни играет бактериальный токсин.
Холерный вибрион
Эта вакцина содержала холерный вибрион, у которого удалён ген, кодирующий часть токсина. В результате вакцина вызывает иммунный ответ, но не холеру. Хотя побочные эффекты, напоминающие кишечную инфекцию, у некоторых привитых были.
Пептидные (субъединичные) вакцины
Эти вакцины содержат не целый микроорганизм, а лишь его фрагмент, например, фрагмент внешней оболочки вируса. Создать его можно с помощью технологии генной инженерии.
Например, к началу XXI века в России стали использовать вакцину против гепатита B. Это очень большое достижение, потому что заразиться вирусом гепатита B очень просто: достаточно контакта даже с каплей заражённой крови. Острая форма болезни опасна для жизни, а также существует хроническая трудноизлечимая форма болезни.
Вакцина против гепатита B безопасна и надёжно защищает от заражения. Она содержит поверхностный белок вируса гепатита B — HbsAg,который производится с помощью генноинженерной технологии с использованием дрожжей.
Векторные вакцины
Векторные вакцины получили распространение не так давно. Устроены они следующим образом.
Ген, на продукт которого должен развиться иммунный ответ, встраивается в геном другого вируса-носителя (вектора). Вирус, который выполняет роль вектора, в естественных условиях является причиной лёгкого, но не опасного заболевания. Обычно это аденовирус, который вызывает лёгкую простуду. Но вектор в составе вакцины изменён таким образом, что он не может вызвать болезнь. Недомогание после прививки напоминает простуду, но оно возникает из-за иммунного ответа и не является заболеванием.
Векторная вакцина «приносит» ген, который кодирует один из вирусных белков. Клетки организма сами синтезируют этот белок, иммунная система реагирует и запоминает его. Генетический материал возбудителя или вектора не может встроиться в геном человека и разрушается. По этой технологии создана вакцина против новой коронавирусной инфекции COVID-19 «Спутник-V».
Векторная вакцина против новой коронавирусной инфекции COVID-19 «Спутник-V».
Ген, который кодирует белок spike («шип») на поверхности коронавируса, встроен в геном вектора — аденовируса. Аденовирус внедряется в клетки человека, клетки производят spike-белок. Это вызывает иммунный ответ и иммунологическую память на вирус. Сам аденовирус не вызывает заболевание, а генетический материал вируса разрушается.
Сейчас в разработке находится вакцина против бешенства для людей, где в качестве вектора тоже используется аденовирус. Бешенство — неизлечимая и абсолютно смертельная инфекция. Вирус бешенства передаётся от больных животных при укусе. Единственное спасение от неё — вакцинация, которая должна быть начата как можно раньше. Но дело в том, что требуется многократное введение вакцины по строгому графику. Новые векторные вакцины могут упростить профилактику смертельной болезни.
Диагностика туберкулёза
В России раз в год детям делают реакцию Манту. Реакция Манту — это кожная проба, которая позволяет предположить, есть ли в организме скрытый туберкулёзный процесс.
Раствор для реакции Манту содержит туберкулин — очищенный и обработанный фильтрат убитых культур микобактерий туберкулёза. Туберкулин не может вызвать заболевание, но вызывает кожную реакцию — розовое пятно вокруг места инъекции.
Если оно слишком большое, то, возможно, человек болен туберкулёзом. Однако часто этот результат является аллергической реакцией, если человек был привит от туберкулёза. Для того, чтобы отличить аллергию от настоящего туберкулёза, российские учёные изобрели новый способ диагностики (Диаскин-тест).
Он содержит белок, которого нет в вакцине против туберкулёза, но фрагменты этого белка есть в микобактерии туберкулёза. Этот белок тоже создан методами генной инженерии с помощью кишечной палочки E.coli.
Как правило, если нет туберкулёза, то результат теста будет отрицательным. Хотя всегда бывают нетипичные реакции организма и диагноз должен ставить врач.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
Генная инженерия
1) Создаёт искусственным путём организмы с новыми генетическими свойствами. 2) Возникла в XIX веке. 3) Конструирует новые полноразмерные ДНК. 4) Используется только для создания трансгенных растений. 5) Используется только для создания вакцин. 6) Все ответы правильные
Нужный ген извлекается из ДНК или встраивается в неё:
1) Молекулярными ножницами под электронным микроскопом. 2) Пептидазами. 3) Амилазами. 4) Ферментами рестриктазами и лигазами. 5) С помощью вирусов. 6) Все ответы правильные
Вектор
1) Носитель гена, который должен быть внедрён в организм. 2) Может воспроизводить себя в клетке 3) Может быть плазмидой 4) Может быть вирусом 5) Все ответы правильные
Генно-модифицированные организмы
1) Вызывают много споров по поводу их вреда и пользы. 2) Исключительно полезны. 3) Исключительно вредны. 4) Трансгенные растения не могут оказать влияние на окружающую среду. 5) Трансгенные растения и животные создавать проще, чем трансгенные микроорганизмы.
Трансгенные (генномодифицированные) растения:
1) Устойчивы к вредителям возбудителям болезней. 2) Позволяют отказаться от пестицидов 3) Вызывают много споров по поводу их вреда и пользы. 4) Могут негативно повлиять на биологическое разнообразие «обычных» растений. 5) Все ответы правильные.
Генная инженерия позволяет:
1) Создавать лекарственные препараты (инсулин). 2) Лечить наследственные болезни. 3) Создавать растения, животных и микроорганизмы с новыми свойствами. 4) Создавать новые вакцины. 5) Все ответы правильные.
Вакцины, созданные по технологиям генной инженерии:
1) Надёжны, но могут вызвать заболевание, против которого созданы. 2) Находятся на стадии исследований и не применяются. 3) Более безопасны, надёжны и не могут вызвать заболевание, против которого нацелены. 4) Находятся на стадии исследований и применяются в исключительных случаях. 5) Полностью заменили вакцины предыдущих поколений.