Мутация, бағытталған мутагенез. Генді инженерия. Рекомбинантты ДНҚ технологиясы

Биоэлектроника – бұл ақпараттық технология аймаағында, өлшеуіш- бақылайтын датчиктерді, сенсорлар ретінде биотехнологиялық жүйелерді қолдану.

Инженерлік  энзимологиямен қатар, (биотехнологияда ферменттерді алу мен қолдану), протоинженерлік, (гентикалық деңгейде табиғи ақуыздар қасиетінің өзгеру технологиясы, жаңа ақуыздарды алу), қарқынды дамуда.

Иммундық биотехнология

Инфекциялық емес, сонымен қатар инфекциялық аурулурды  емдеу және диагностикалау, алдын  алу үшін көп мөлшерде иммунопрепараттарды  бөліп алу қажеттілігі иммндық  битехнологияның дамуымен тығыз  байланысты.

Иммундық препараттар: дигностикумдар, вакциналар, иммундық сарысулар және моноклоналды антиденелердің кең спектрлерін жасау және өндіруге міндетті.

Вакциналар иммунопрофилактика үшін, кейде емдеу үшін қолданылады, себебі олар белсенді, жасанды иммунитетті  қалыптастырады.

Диагностикумдар – иммуно-ферменттік талдамаларда аурулардың серологиялық диагностикасы  үшін, комплмент байланыстыру реакциясында, басқа да иммунологиялық реакцияларда қажет.

Иммунды сарысулар  инфекциялық аурулардың диагностикасына  керек. Сондай ақ, олар емдік мақсатта жасанды пассивті иммунитетті жасау үшін қолданылады.

Биотехнология адам денсаулығын сақтау және нығайтуда, қоршаған орта ремедиациясын және табиғаттың экологиялық тепе-теңдігін ұстап  тұруда өте маңызды.

ІІІ. Биотехнологияның ашылуы, жасалуы және даму тарихы

Биотехнологияның  пайда болуымен даму тарихында ғылыми пән ретінде голланд ғалымы Е. Хаувинк 5 кезеңді ажыратты:

1. Пастер ғасырына дейінгі эра (1865ж.). Сыра, шарап, нан өнімдері және сыра ашытқыларын, ірімшік алғандаағы спирттік және сүт қышқылды ашытуды қолдану. Сірке қышқылын және ферментативті өнімдерді алу.

2. Пастер ғасырлық кезеңі(1866-1940 жж.) – этанол, бутанол, ацетон, глицерин, органикалық қышқылдарды, вакциналарды өндіру. Канализациялық суды аэробты тазалау. Көмірсулардан азықтық ашытқыларды өндіру.

3. Антибиотиктер кезеңі (1940-1960 жж.) – тереңдетілген ферментация жолымен пенициллин және басқа антибиотктерді алу. Өсімдік жасушаларын дақылдау және вирустық вакциналарды алу. Стероидтарлың микробиологиялық биотрансформациясы.

4. Меңгерілетін биосинтез кезеңі (1961-1975 жж.) – микробты мунаттар көмегімен амин қышқылдарын өңдіру. Тазартылған ферменттік препараттар алу. Иммобилизацияланған ферменттерді және жасушаларды өадірістік қолдану. Канализацилық суларды анаэробты тазалау және биогаз алу. Бактериалды полисахаридтерді өндіру.

5. Жаңа биотехнология кезеңі (1973 ж. бастап) – биосинтез агенттерін алу мақсатында жасушалық және генетикалық инженерияны қолдану. Моноклоналды антиденелерді өндіретін будандарды, протопласттарды және меристемді дақылдарды будандастырып алу. Эмбриондарды трансплантациялау.

1. Микроорганизмдердің биотехнологиясы

Микроорганизмдер  биотехнологиясы – маңызды      микробиологиялық үрдістер жөнінде  және микроорганизмдердің өмір сүруінен алынған бағалы өнімдер өндірістері, олардың тәжірибеде қолданылуы жөнінде, өнімдері ақуыз есебінде биомассасын алу, жеке биологиялық белсенді заттарды (биопрепараттар, медицинада және халық шаруашылығының әртүрлі салаларында қолданылатын) алу жөніндегі ғылым.

Көп ғасыр бойы адам қоғамы технологияда қолданылатын ғылыми негіздерді білмей-ақ, бірақ үлкен тәжірибелеріне сүйене отырып, сүтқышқылды өнімдерді алуда, шарап және сыра, нан пісіруде микробиологиялық  үрдістерді қолданған.

Микробиологиялық  үрдістердің ғылымдық негізі Л. Пастер (1822-1895 жж.) ашқан, атап айтқанда айқын тәжірибелерде дәлелденген, яғни ашу және шіру – бұл химиялық реакциялар тізбегі емес, ол субстратқа микроорганизмдердің әртүрлі топтарының әсер етуі және микробиологиялық үрдістер нәтижесінде – микроорганизм түріне байланысты ашу кезінде органикалық қышқылдар (майды, сүтті, пропионды және басқалары), спирт жиналады. Осыдан спирттік, майқышқылды, сүтқышқылды, пропионқышқылды ашу болады. М.М. Манасейн (1872 ж.) спирттәк ашудың тірі микроорганизмдер болмаса да болатындығын көрсетті. Бірақ кейінгі зерттеулер нәтижесінде ғалымдар ашу үдерісінде микробты ферменттер ролін анықтады.

Ашу типтерінің бірі болып, пектинді ашу анаэробтық микроорганизмдер әсерінен болады. Анаэробты  бактериялар ауасыз жағдайда жіп  иіру өнеркәсібінде қолданылатын зығыр, сора және т.б. өсімдіктерді суалағанда, олардың құрамындағы пектинді заттарды ыдыратады және өсімдіктер талшықтарын босандыртады.

 Микроорганизмдердің  биологиялық қасиеттері, ферменттік  активтілігін қарқынды зерттеу  микробиологиялық үдерістердің әртүрлі өндірістік технологиядағы мәнін одан әрі ашты. Бұл мелласа мен қант ашығанда, глицеринді алу, қанттан ацетон мен бутил спиртін, жүгері ұнынан ацетонды алу.

1923 ж. лимон  қышқылының ашу үдерісінің соңғы  өнімдері болып табылатын кейіннен сүт және басқа органикалық қышқылдардың микробиологиялық өндірісі іске қосылды.

Зертханалық жағдайда микроорганизмдердің тұрып қалған сулары мұнай өнімдерін тазартуға, көмірсутектері, мұнай бар орталарда  микроорганизмдерді дақылдау кезінде  ақуыздарды алуда, олардың қабілеттілігі анықталды.

Микроорганизм метоболиттері – рибофлавин (1935ж.) және В₁₂ витамині (1948 ж.) алу технологиясы жасалынды. 

Антибиотиктер өндірісі микробиологиялық өндірістің ең салмақты құрамына жатады.

Осы уақытта  бірнеше жүздеген антибиотиктер (негізгі продуценттер – актиномициттер, көгерткіш саңырауқұлақтар, бактериялар), мал шаруашылығында, әсіресе өсімдік шаруашылығында, ветеринарияда кеңінен қолданылады, олар медицинада өте қажет. Мысалыға, пенициллин, көгерткіш саңырауқұлақтардан өндіріледі. Бастапқыда көгерткіштердің іріңдеткіш кокктарға антагонистік белсенділіктің ашылуыболды (Флеминг, 1929 ж.). Кейін препараттың химиялық тұрақты түрі алынды және 1942 жылы Ұлы Отан Соғысы кезінде пеициллиннің ең ауқымды өндірілуі басталды. Ғалымдармен селекциялық көгерткіш саңырауқұлақтар штамдарынан бастапқы өнімнің дақылдарына қарағанда мың есе көп пенициллиндер өндіріледі. 

Селекцияның тамаша табыстары, өнеркәсіпте бағалы өнім беретін микроорганиздерінің, мақсатқа бағытталған сұрыпталуның, ғалымдардың  микроәлем физиологиясын кеш  тануына қарамастан, микробтық популиацияның  ұрпақтарының тез алмасуымен, пркариоттар  жасушасындағы метоболиттік үрдістердің күрделі емес ұйымдастыруымен және басқарылуымен байланысты.

Микробиологиялық  өндіріске жасыл балдырлардың дақылдануы, жарық пен сулы херде олардың  биомассасының жиналуы қосылады (фотосинтез). Мысалға, жасыл балдыр Spirulina maxima, Sp.plantensis мексикандықтар кептірілген сомдама түрінде тамаққа қолданды. Жасыл балдырлар жылы су қомаларында жарық көп болғанда тез көбейеді. Биохимиялық анализде микробалдырлардың құрғақ массасында 70%-ға дейін ақуыз бар екендігі анықталды. Өткен ғасырдың 50-70-жылдарында Жапонияда, Италияда, Израаильде Spirulina sp.- ден үн шығаратын (жылына 500-1000 тонна ұн) үлкен емес фабрикалар іске асырылды. Қазақстанда (Степногорск қ.) 1970-1980 жылдары ғылыми өндірістік кешен «Прогресс» базасында спирттік өндірістер ауыл шаруашылық жануарлар төлдерінің ауруға тұрақтылығын және қондырғылығын жоғарлату үшін антибиотиктер, ферменттер (аминосубтилин және глюкамоварин), азықтық ақуыздар, лизин аминқышқылдарының ірі тонналы  микробиологиялық өндірістері жөнге келтірілді. 

Алматылық биокомбинатта  ветеринария үшін өндірістік көлемде  вакциналар және диагностикалық биопрепараттар өндірілді. 

Микробиологиялық  өнімдердің сапасы мен көлемі және нақты тәуелділігі, айқын өзара  байланыстылығы (амрнқышқылдар, ферменттер, ақуыздар, антибиотиктер, дәрумендер және т.б.) технологиялық үрдістің бүтіндігіне, биоөнімділіктің белсенділігіне, микроорганзмдердің технологиялық штамдарынан білінеді. 

Өндірістік микроорганизмдердің  сақталуы, өмір сүру қабілеттілігін қолдау, құжаттылығы мен қоры микроорганизмдер дақылдарының коллекциясымен қамтамасыз етіледі. 

Микробиологиялық  ресурстрадың сақталуы және үнемі таралуы  – бұл микробиологиялық, биотехнологиялық өндіріс тізбюегіндегі қажетті, бастпқы буыны. Микроорганизмдердің  жоғары продуценттердің сапалы штамдарының болуы, бегілі деңгейде өндірістік тиімділігін қамтамасыз етеді. 

Молекулярлық  биология, микроорганизмдер генетикасы саласындағы зерттеулер биотехнологиялық өндірісте қолданылатын штамм-продуценттер жасалуында сапалы басқа амал алып келеді. Бұл рекомбинантты ДНҚ технологиясы. 

Оқиғалардың дәйектілігі  келесі. 

О.Т.Эйверн, Мак-Леод, Мак-Карти (1944 ж.) пневмококтардың капсулалы  және капсуласы жоқ штамдармен тәжірибеде генетикалық аппараттың тасымалдаушысы ДНҚ екенін анықтады, пневмококтардың ірі фрагменттер гомологиялық дақылдары трансформациялануы мүмкін. 1946 жылы Ледерберг пен Тейтем ішек таяқшаларының әртүрлі штамдырының арасында микроорганизнің бастапқы дақылынан хромосомалық ДНҚ фрагменттерімен алмасу арқылы жаңа генетикалық комбинациямен (генетикалық рекомбинациямен) бөлшектенген жасушалардың пайда болуы мүмкін деп көрсетті. 

Кейін, сынақта 2 ферментті (рестриктаза – белгілі  бір саиттарда ДНҚ молекуласын  кеседі; лигаза – ДНҚ фрагменттерін  тігеді) қодана отырып, in vitro ДНҚ-ның арнайы рекомбинантты молекуласының құрылуы жолы көрсетілген болатын. 

Әрине, ДНҚ-ның  рекомбинантты молекуласын алу  бойныша жемісті зерттеулер ДНҚ-ның  екі спиральді моделінің анықталуының, генетикалық ақпараттың әсер ету  механизмінің ашылуының арқасында мүмкін болды. ДЖ. Уотсон және Ф. Крик (1953 ж.) орындаған жұмыс нәтижесі бойынша – «дезоксирибоза нуклеин қышқыл тұзының (ДНҚ) құрылымын ұсынғымыз келеді» - деп жазды. «Бұл құрылым үлкен керемет қасиетке ие және үлкен қызығушылық тудырады... Ол жалпы осьтің айналасында оралған бұрылған..., бірақ оларда атомдар өзара реттелуі қарама-қарсы... 

Тізбектердің  бірге ұсталып тұру тәсілі қызықты. Пуриндік және пиримидиндік негіздер жұптар түзіп, осы кезде бір жұптың пуриндык негіздері сутектік байланыстармен қарсы жұптың пиримидиндік негізбен байланысқан. Егер жұптардың бірі негіз – бұл аденин болса, екінші негіз тимин боу керек; дәл осы гуанин мен цитозинге де қатысты. Негіздер реттілігі полинуклеотидті тізбекте әртурлі болуы мүмкін. Біздер ұсынылған арнайы жұпталу механизмінен генетикалық материалдың көшірілу мүмкіндігі шығады. «Әрі қарай олар түсіндіріледі: «Қантты фосфатты қаңқа біздің моделде абсолютті тұрақты, бірақ бұл құрылымға нуклеотидтер жұбының кез-келген реттілігі жазылуы мүмкін. Ұзын молекулаларда орын аусулардың шексіз саны болуы мүмкін және бізге негізделген дәл реттілігінде кодталған түрде генетикалық ақпарат болатындығы дәл шын болып көрінуі мүмкін. Біздің модель көптеген феномендерде түсінік береді. Мысалы, өздігінен болған мутация негіздердің біреуі сирек таутомерлік қалыпқа кездейсоқ аусуынан болуы мүмкін, ал мейоз кезіндегі гомологиялық хромосомалар жұбының түзілуі, негіздердің арнайы жұптасуын қамтамасыз етуі мүмкін».  

1973 ж. С. Коэн  және Г. Бойер қызметкерлерімен  бірге тұқымқуалаушылық бірлігінің (ген) донордан реципиентке берілу әдісін жасады, рекомбинантты ДНҚ алу технологиясын жасады. Олар: « E.coli (бактериялық жасуша) басқа биологиялық түлердегі метаболиттік және жасанды әрекеттермен бірлескен гендерді, мысала, антибиотик өнімдерінің немесе фотосинтез гендерін енгізуге болады» - деп жазды.  

Рекомбинантты ДНҚ технологиясы өте көп мөлшерде микробты, өсімдік текті немесе жануар жасушасының негізінде жаңа генетикалық  конструкцияларды құру жолемен биологиялық  белсенді заттар (инсулин, интерлейкин, интерферон, соматотропин және т.б.) алуға мүмкіндік береді. Рекомбинантты ДНҚ технологиясы өте жоғары прдуцент жасауда классикалық селекция әдісін толықтырды, өндірістік микроорганизмдердің генетикалық түрленген штамдарын қолдана отырып, биотехнологиялық өнімдер алудың оперативті жолын шығарды. 

2. Өсімдіктер биотехнологиясы 

Өсімдіктердің биотехнологиясы – бұл өсімдік  текті жаңа өнімді жоғары сұрыптар мен линиялар, биологиялық белсенді қосылыстарды алуға бағытталған  ғылым саласы. 

Өсімдіктердің шаруашылықтағы бағалы сұрыптары ( бидай, жүгері, күріш, соя, картоп) барлық уақытта селекционерлердің назарында болып келеді. Ауыл шаруашылықты дақылдардың өнімін жоғарлату, олардың жағымсыз ауа райына, әртүрлі ауруларға тұрақтылығын жоғарлату қазіргі уақытта да әрбір мемлекеттің экономикасында маңызды мәселелерінің бірі болып келеді. Қазақстан да бұдан тыс қалған емес. Оның сотүстік аймақтарының көп бөлігінде дәндә-дақылдар, оңтүстігінде – мақта мен күріш, және айтарлықтай барлық аймақтарында  картоп өсіріледі. 

Өсімдікті өсіруде  қарқынды әдістә қолдану нәтижесінде 20 ғасырдың 50-60 жылдарында экономикалық дамыған мемлекеттерде дәнді  дақылдардың өнімі 2-3 есе өскен. Ауруларға, зиянкестерге төзімді, топырақ өңдеудің интенсификациясы факторларын қабылдағыш, қысқа сабақы сұрыптары алынды. Тұқымның сапасын жақсартуға, олардың келесі егу кезеңінде дайындауға және т.б. егін шаруашылығына бағытталған жаңа технологиялар қолданыла бастады.  

Өткен ғасырдың 60-шы жылдары “жасыл революция» деген  сөз тіркесі пайда болды, бұл кезде тек дамыған елдерде ғана емес, сонымен қатар Мексика, Филлипин сияқты және т.б. дамып келе жатқан мемлекеттерде қарқынды технология бидай мен күріштің өнімін жоғарлатуға мүмкіндік берді.  

Дәстүрлі селекциялық  жұмыстармен қатар қалемше (черенок), клоннан бүтін өсімдікті алу үшін тәжірибелер жасалды, өсімдік микроорганизмінің изоляцияланған тіндермен зерттеулер жүргізіле бастады (klon – өсімдікті өсіруге жарамды қалемше немесе өскін; Уэббер, 1903 ж.). 1892-1902 жылдар аралығында неміс ғалымы Хаберландт, Фехтинг және Рихенгер сахарозасы бар ерітіндіге бақ-бақ пен теректің сабағын салып біріншілікті каллусты алғаш алды. Бірақ каллустан бүтін өсімдік алу әрекеті іске асырылмады. Осы бағыттағы жұмыстардың көптеген елдердің ғылыми селекционерлері жалғастырды. Бұл зерттеулердің негізінде өсімдік жасушаларының типотенттік қабілеті туралы гипотезасы жатты, яғни осындай жасушаларға олардың суі үшін қажетті жағдай туғызғанда, бүтін бір өсімдікті алуға болатыны анықталды.  

Регенерация нәтижелері қоретік орта құрамы мен өсіру жағдайларына байланысты. 1930 жылы американдық зерттеуші Робинс пен неміс ғалымы Коте тығыз қоректік орталарда томат пен жүгері тамырларының ұштары меристемаларын өсіру мүмкіндіктерін крсетті. Бірақ белгілі уақыттан кейін өсімдіктердің тіні қоңырланып өле бастаған. Француз Готре өсімдік тінін ұзақ уақыт  in vitro жағдайда қоректік ортаны жаңасына ауыстыра отырып өсіре алады. Тек өткен ғасырдың 50-ші жылдары ғана Ж. Морей ғалымы клонды микрокөбею жолымен орхидеяның апикальді меристемасынан in vitro жағдайда бүтін өсімдік алды.