Мутация, бағытталған мутагенез. Генді инженерия. Рекомбинантты ДНҚ технологиясы

Апмкальді меристемада (сабақтың ұшында орналасқан және жетілдірілмеген  жасушалардан тұратын мөлшері 0,1 мм-ден  аспайтын бөлігі; бұл бөлік барлық уақытта өсіп өсімдіктің мүшелерін  түзеді) вирустар болмайды, сондықтан меристемалардың көбею жолымен сау, вируссыз өсімдіктер алуға болады. Меристемалардың жасушалары бөлініп, одан 5-6 жапырағы бар кішкентай өсімдіктер түзіледі. Бірнеше апта бойы өскен сабақты 5-6 кішкене бөліктерге бөліп, олардың өсуіне қажетті жағдай жасап, бүтін өсімдік алады. Осындай жағдайларда өсе алатын өсімдіктерді өсіру үшін, қолайлы өсу жағдайларын анықтау бірнеше жылдарға созылады. 

Өсімдіктің биотехнологиясының дамуының жетістікері өсімдіктің өсуімен  көбеюін жоғарлататын фитогомондардың, биологиялық белсенді заттардың ашылуына көп әсер тигізді. Фитогормондардың зерттелуі өткен ғасырдың 20-шы жылдарында басталған. Неміс ғалымы Ф. Гегель гомонды заттардың бір тобын – ауксиндер, атап айтқанда индолил-сірке қышқылы (ИСҚ) бөліп алды. Ол ИСҚ сабақтың апикальді меритемаларында болатынын және олардың өсімдік жасушасының созылуын, бөлінуін және жетілуінің реттелетінін көрсетті. 

Фитогормондардың  басқа тобы – гиббереллиндер 1926 жылы ашылып, химиялық таза түрі 1938 жылы Жапонияда алынды. Олар сабақтың өсуін қоздырса, тамырдың өсуін басып, ол жапырақтың өсуіне әсер етпейді, меристемалық тіннің белсенділігін жоғарлатады. 

Өткен ғасырдың 50-шы жылдары фитогомондардың тағы бір тобы – цитокинидер ашылды. Олар өсімдік жасушаларының бөлінуін белсендіріп, тамырдың апикальді меристемаларында синтезделеді. Митоздың инициациясы үшін қолайлы жағдай тудыратын (ДНҚ жетілуі мен репликациясы) ауксиндерден айырмашылығы цитокинидер жасушаның бөлнудің келесі сатыларын күшейтеді (РНҚ-полимераза жұмысын, РНҚ түзілуі мен ақуыздардың синтезі; органогенезді бақылау). Цитокининдер олардың жасыл түсін сақтап, жапырақтарының қартаюынан қорғап қанақоймай, жапырақтың дамуының алғашқы сатыларында хлоропласттардың түзілуін және хлоропластты РНҚ мен ақуыздардың синтезінің белсенуі нәтижесінде, олардың өсуі мен бөлінуі бақылайды. Олар абиотикалық фактарларға төзімділікті жоғарлатады: температураның зақымдаушы әсеріне, ығалдың жеткіліксіздігіне, топырақтың тұздалуына және т.б. 

Баяулатқыш әсерге ие фитогормондар зерттеліп бөлініп  алды. Мысалы, абсцизді қышқыл алғашқы рет мақтаның жас қауыршығынан бөлініп алынды. Бұл фитогомон күшті ретарднатты (вегетативті өсуді тежейтін), нуклеин қышқылдрдың, ақуыздардың, хлорофилдің ыдырауын жоғарлату әсеріне ие. 

Фитогормондар селекцияда, өсімдіктерді микроклональды көбейтуде, реттелуінде қолайлы түрде кеңінен қолданылып жүр. Осылайша қалемшелерді тамырландыру үшін қоректік орталарға отырғызу алдында ауксинмен өңдеу олардың тамырлану үрдісін жоғарлатады. Ф. Скуг пен К. Миллер алғашқы ретфитогормондардың темекі каллусының жетілдірілмеген тіндерінің органогенезін реттеу қабілетін байқаған. Олар ауксин мен цитокининнің көмегімен каллустардың тамырлары мен бүршіктенуін шақырған.   

Өсімдіктердің өсуі маен көбеюін реттейтін фитогомондармен  қатар өсімдік организмінің қошаған ортаның қолайсыз абиотикалық және биотикалық факторларына тұрақтылығын туғызатын адоптогендер ашылды. Мысалға, антиоксиданттық әсері бар мивал (жасуша мембрагасын тұрақтандырады, ақуызды-лиипдті байланыстарды нығайтады, жасушалық мембрананың құрылымдық беріктігін жоғарлатады), Е витаминінің синтезін белсендіретін крезоцинді алуға болады. Этилен деген басқа адоптоген антибиотикалық белсенділігі бар өсімдіктер бөлетін фитоалексиннің синтезін жоғарлатады және жәндіктердің, шыбын-шіркейдің ас-қорыту жолдарының хитинін және фитопатогенді саңырауқұлақтардың жасушалық қабырғасының хитин тәрізді заттарны бұзатын хитиназа ферментінің белсенділігін жоғарлатады. 

Қазіргі уақытта  өсімдіктерді микроклоналды көбеюі мен фитогомондармен адаптогендерді жаңа әдістемелерін бірге қолдану, өсімдіктердің бағалы дақылдарын алуының тиімді жолы болып отыр. Франциядағы таралған барлық гүді дақылдары осы тәріздес технологиямен алынған. АҚШ-та жемісті, сәндік, көкөністік дақылдардың көшетті материалдарын он шақты көшеттерден мироклоналды көбею технологиясымен алады. Гүлдердің вируссыз түрлерін, оның ішінде раушан гүлінің вируссыз түрлерін шығаруда Голландия негізгі өндіргіші болса, алма, өрік мен шабдалыны шығаруда бірінші болып Италия тұр.

Өсімдіктер генофондын көшеттіктерде сақтау мен көбейту, өсімдіктердің сомалық жасушаларын сұйық азотта криоконсервациясы (-196⁰С) ғылыми және өнеркәсіпті орныдарды бағалы сұрыптары мен түрлері қамтамасыз ететін өсімдіктер биотехнологиясының қарқынды дамуының негізгі түбі болып келеді. 

Өсімдіктер биотехнологиясының даму тарихының тағы бір бағыты, ол – тамырлар мен жемістерден  алынған изоляцияланған протопласттарды  қолдану, олардың in vitro жағдайда қосылып, сомалық гибридтерді жасау болып табылады. Изоляцияланған протопласттар 1960-шы жылы ферментативтіәдіспен көптеген мөлшерде алынған бодатын. Кейіннен протопласттардың өздігінен қосылу нәтижесінде жынысты көбеюсіз гибридтердің жаңа және көптеген мөлшерін алуға мүмкіндік туды. Бірақ изоляцияланған тіндер мен жасушаларды in vitro жағдайда дақылданғанда көбіне каллусты тін қолданылады, ал изоляйияланған жасушалық суспензиялар мен протопластар іргелі ғылыми зерттеулер үшін ең керекті құрамы болып келеді.  

Өсімдіктер биотехнологиясының әдістемелері түпкілікті дерлік рекомбинантты  ДНҚ технологиясының ашылу арқасында өзгерді. Гендік инженерия көмегімен вирустарға, гебицидтерге тұрақты, жемістердің пісіп жетілу уақыты өзгерген, гүлдерінің түсі өзгерген, тұқымдарының тағамдық құндылығы жоғарлаған және т.б. трансгенді өсідіктер алуға мүмкіндік туады.  

Трансгенді өсімдікті  алу, түрленген микроорганизді алу  сияқты тиімді вектролы жүйені керек  етеді (көбіне олар плазмидалар мен  бактериофагтар). Ғалымдар векторлар  есебінде Agrobacterium tumefaciens плазмидасын қолданды (бұл бактерия – ол өзінің өмірлік кезеңінде өсімдік жасушасын трансформациялай алады, яғни бұл үдерісті ол өзінің плазмидасын өсімдік жасушасына енгізіп, оған жаңа геномдарды тасымалдау арқылы жүргізілетін фитопатоген (H. De Jreve et al..,1982). Зерттеулер нәтижелерін қорытындылай келе ғалымдар былай деп жазды: «Транегенді өсімдіктерді алу үшін тиімді векторлы жүйе керек. Осындай жүйелерді құрудың алғашқы қадамы, топырақты бактерия Agrobacterium tumefaciens-тың Ті-плазмидасын қолданудан бастады, өйткені инфекцияланғаннан кейін қос жарнақты сезімтал өсімдіктерге Ті-плазмидасының (Т-ДНҚ) бір бөлігі реципиент – өсімдік жасушасының тура хромосомды ДНҚ-сына енеді. Бірақ трансформацияланған өсімдіктерді Ті-плазмидалармен инфекциялағанда, өсімдіктердің қалыпты өсуіне бөгет жасайтын «корончатый галл» - істің пайда болуына алып келеді. Сондықтан өсімдіктер трансформациясын жүргізу үшін векторлар есебінде Ті-плазмидаларды қолданар алдында ісіктердің түзілуінің алдын алу керек. Интактты және түрленген Т-ДНҚ-мен транскрипцияланатын мРНҚ зерттеу нәтижесінде «корончатый галдың» түзілуіне жауап беретін гендер Т-ДНҚ орналасқаны анықталды. Бұл жағдай Т-ДНҚ-дағы осы гендерді алып тастауға және оны гомолокты рекомбинация көмегімен Ті-плазмидаға, кейіннен өсімдік жасушасына енгізуге болатынын көрсетеді. Хромосомалы ДНҚ-ға кәдімгі әдіс арқылы енгізілген Ті-плазмида өзінің де енді «корончатый галл» гендерінен айырылған Т-ДНҚ тасиды. Осы жүйенің келесі маңызды қадамдарының бірі бөгде маркерлі генді және зерттеушіні қызықтыратын генді Т-ДНҚ-ға енгізіп, оларды қожайын өсімдіктің хромосомалық ДНҚ трансформациялау болып табылады. Ті-плазмида негізіндегі векторлы жүйе әдісі әлемде барлық елдерде кеңінен қолданысқа енді. Оны трансгенді өсімдіктерді алу үшін мыңдаған зертханаларда қолданады. Өсімдіктерді өсіруге генді инженериялық технологияны  кеңінен қолдану нәтижесінде гербицидтер мен шыбын-шіркейлерге тұрақты соя, қант қызылшасы, картоп, жүгері, мақта, томат; коллорад қоңызына және фитопатогендерге тұрақты картоп; тұздануға, тоттануға, фузариозға тұрақты бидай сабағы және т.б. алынды. Әлемде трансгенді өсімдіктерді өсіру аумағы 50 млн. Гектардан асады, оның 80%-ын соя мен жүгері алып жатыр.   

• Иллюстрациялы материалдар 
• Әдебиеттер

1. Егорова Т.А., Клунова  С.М., Живухина Е.А. Основы медицинской  биотехнологии, - М: АСАDЕМА, - 2003г. – 207с.Микробиология / Воробьев 2. Избранные вопросы медицинской биотехнологии. Избранные вопросы медицинской биотехнологии.  – Сиб.ГМУ, Томск – 2004. – 135с.

3. Медицинская микробиология  под ред. Покровского В.И. //М.  ГЭОТАР МЕДИЦИНА, 1998, 1184 С.

4."Биотехнология: Свершения  и надежды". М:Мир, 1987 г.

5.Р.Реннеберг,И.Реннеберг."От  пекарни   до  биофабрики".М:Мир, 1991 г.

6.Дебабов.В.Г. Успехи  генной   инженерии микроорганизмов.  Генетика.1987 г. т.23, N10 с. 1741-1748.

7.П.О.Вяземский, Волчек  и  др. Генетическая инженерия в современной медицине. Военно-медицинский журнал.1990 г.N1 с 37-41.

8.Перспективы применения  методов ДНК-диагностики в лабораторной  службе.\Клиническая лабораторная  диагностика, №5, 2000г

9. А.А., Быков А.С., Пашков  Е.П., Рыбакова А.М. Микробиология / М., Медицина, 1994.

Бақылау сұрақтары:

1. Биотехнология дегеніміз не?
2. Биотехнологияның мақстаттры мен міндеттері қандай?
3. Биотехнологияда қолданатын биологиялық жүйе  дегеніміз не?