Генная инженерия: её возможности и перспективы развития

Контрольная  работа

по предмету:

«Концепции современного естествознания»

на тему:

«Генная инженерия: её возможности и     перспективы развития»
                                                  Выполнил:  студент 3 курса

                                     заочного отделения

                                                       психологического факультета

                                      Кулагин Александр

                      Проверил:

                                                              ____________________________
                                                       Пенза 2010

                                         

                                              Содержание
 Введение ………………………………………………………… ……3           

    

1.  История появления  генетики………………………………….......4                                                                                                                                    

     2. Наследственность по хромосомной теории…………………..6

     3. Развитие генной инженерии……………………………………8

     4. Химический синтез ДНК……………………………………….10
     5.Успехи, возможности, и перспективы в генной инженерии….11
Заключение……………………………………………………………..12
Литература………………………………………………………………13
                                                
                                                  Введение

Генная инженерия -  направление исследований в генетике и, молекулярной биологии конечной целью которых является получение с помощью лабораторных приемов организмов с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств. В основе генной инженерии лежит обусловленная последними достижениями молекулярной биологии и генетики возможность целенаправленного манипулирования с фрагментами нуклеиновых кислот. К этим достижениям следует отнести: установление универсальности генетического кода, то есть факта, что у всех живых организмов включение одних и тех же аминокислот в белковую молекулу кодируются одними и теми же последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК; успехи генетической энзимологии, предоставившей в распоряжение исследователя набор ферментов, позволяющих получить в изолированном виде отдельные гены или фрагменты нуклеиновой кислоты, осуществлять  синтез фрагментов нуклеиновых кислот, объединить в единое целое полученные фрагменты. Таким образом, изменение наследственных свойств организма с помощью генной инженерии сводится к конструированию из различных фрагментов нового генетического материала, введение этого материала в рецепиентный организм, создания условий для его функционирования и стабильного наследования. Долгое время вопрос о природе наследственности находился в ведении эмбриологии, в которой вплоть до XVII в. господствовали фантастические и полуфантастические представления. Во второй половине XVIII в. учение о наследственности обогащается новыми данными искусственной гибридизацией и опылением растений, установлением пола у растений, а также отработкой методики гибридизации. Одним из основоположников этого направления является И.Г. Кельрейтер, он тщательно изучал процессы оплодотворения и гибридизации.   Открыл

явление гетерозиса — более мощного развития гибридов первого поколения,

                                                                                                                                 3

которое  не мог правильно объяснить. Опыты по искусственной гибридизации растений позволили опровергнуть концепцию преформизма.
                                    История появления  генетики                                                                     

В  самом начале XIX в. считалось, что наследственные признаки гибрида являются результатом взаимодействия материнских и отцовских компонентов, их борьбы между собой, и исход этой борьбы определяется количественным участием, долей этих компонентов. В первой           половине XIX в.  появились  первые предпосылки учения о наследственности и изменчивости — генетики. Идея единства растительного и животного миров должна была получить научное выражение в форме теории, которая базируется на том, что инвариантные характеристики органического мира должны иметь свое морфологическое выражение, проявляться в определенной структурной гомологии организмов. Второе событие выделение явлений наследственности как специфической черты живого, которую не следует растворять в  множестве свойств индивидуального развития организма. Такой подход сформулирован у О. Сажрэ и в полной мере получил свое развитие в творчестве  Г.Менделя. Разработка клеточной теории было важнейшим шагом на пути  научных воззрений на наследственность и изменчивость. Основной философской идеей, которая привела к открытию клетки, была идея единства растительного и животного миров.  Еще в XVII в., она разворачивалась с трудов Р. Декарта,  Г.ВЛейбница, а позже — французских материалистов XVIII в., особенно  Д.Дидро, Ж. Ламетри и др.  Ориентировочно для биологических исследований она была сформулирована К.Ф. Вольфом, Л. Океном,  Ж.Бюффоном, И.В. Гете, Э. Жоффруа  Сент-Илером и др.  Следующий шаг на этом пути состоял в том, чтобы от общей идеи единства органического

                                                                                                                               4                                                                                                                                                           

мира прийти к выводу, что такое единство должно иметь свое морфологическое выражение, проявляться в определенной структурной гомологии организмов. Именно в этом направлении работали многие ученые (П.Ж. Тюрпен, Я.Пуркине, Г. Валентина, А. Дютроше и др.), но только          Т.Шванну удалось окончательно прояснить данный вопрос. Трудность состояла в том, что растительные и животные клетки, с одной стороны, а также клетки разных тканей животных — с другой, выглядят мало похожими друг на друга. Сходным и легко различимым элементом всех клеток является ядро. Мысль об этом сформулировал М. Шлейден. Опираясь на нее,               Т. Шванн разработал основные положения своей клеточной теории. В основе ее лежало утверждение, что клеткообразование — универсальный принцип развития организма .  Клетка была выделена как универсальная инвариантная единица строения организма. Из основ клеточной теории стало ясно, что  процесс  клеткообразования  регулируется каким-то единым, универсальным механизмом, за которым скрывается загадка наследственности и изменчивости. Другими словами, создание клеточной теории позволяло “выйти” на объект генетики. Важную роль в истории учения о наследственности занимает творчество О. Сажрэ.  Он первый в истории учения о наследственности начал исследовать не все, а лишь отдельные признаки скрещивающихся при гибридизации растений. С работ Сажрэ начинается собственно научная генетика. Он первым понял корпускулярный, дискретный характер наследственности и выделил наследственность как специфический объект познания, отличный от процесса индивидуального развития организма, разграничил предмет генетики от предмета эмбриологии и онтогенетики.  Вторая половина XIX в. - период создания важнейших отраслей: биологической науки — эмбриологии (К. Бэр); цитологии         (М.Шлейден, Т. Шванн, Р.Вирхов, Г. Моль); физиологии (Г. Гельмгольц,     Э. Дюбуа-Реймон, К. Бернар); основы органической химии (Ф. Велер,

                                                                                                                             5

       

Ю. Либих, М. Бертло); получены  результаты в области гибридизации и                                                             явлений наследственности (Ш. Нодэн, Г. Мендель). Среди важнейших открытий данного периода можно указать следующие: описание митотического деления клеток и особенностей поведения хромосом         (И.Д. Чистяков, Э. Страсбурге); установление того, что первичное ядро зародышевой клетки возникает путем слияния ядер сперматозоидов и яйцеклетки (О. Гертвиг, Г. Фоль); открытие продольного разделения хромосом и его закономерностей — образование веретена, расхождение хромосом к полюсам ( В. Флемминг); установление закона постоянства числа хромосом для каждого вида (Т.Бовери, Э. Страсбурге); установление того, что в половых клетках содержится половинный набор хромосом по сравнению с соматическими клетками (Э.ван Бенеден); описание процесса майоза и объяснение механизма редукции числа хромосом (В. И. Беляев,     О. Гертвиг). Важнейшим событием в генетике XIX в. было формулирование Г.Менделем его знаменитых законов. Из работ  Сажрэ, Мендель рассматривал не наследуемость всех признаков организма сразу, а выделял наследуемость единичных, отдельных признаков, абстрагируя эти признаки от остальных, удачно применяя при этом вариационно-статистический метод, демонстрируя эвристическую мощь математического моделирования в биологии. Открытие Менделем закономерностей расщепления признаков показало, что возникающие у организмов рецессивные мутации не исчезают, а сохраняются в популяциях в гетерозиготном состоянии.

                    Наследственность по хромосомной теории

Важнейшим  событием в XX в явилось появление экспериментальной генетики и новое открытие законов Менделя. В 1900 г. законы Менделя были

                                                                                                                              6

открыты по новому  независимо сразу тремя учеными — Г. де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии, Э.Чермаком в Австрии. За относительно короткий срок  в учении о наследственности был накоплен большой эмпирический и теоретический материал. К открытиям пришедшим в этот период можно отнести: открытие дискретного характера наследственности; обоснование представления о гене и хромосомах как носителях генов; представление о линейном расположении генов; доказательство существования мутаций и возможность вызывать их искусственно; установление принципа чистоты гамет, законов доминирования, расщепления и сцепления признаков; разработка методов гибридологического анализа, чистых линий и инцухта, кроссинговера (нарушение сцепления генов в результате обмена участками между хромосомами) и др. Важно, что все эти и другие открытия были экспериментально подтверждены, и строго обоснованы. В первой четверти XXв. интенсивно развивались и теоретические аспекты генетики. Особую  роль сыграла хромосомная теория наследственности, разработанная в 1910, 1915 гг. в трудах А. Вейсмана, Т. Моргана, А.Стертеванта, Г.Дж. Меллера и др.  Она строилась на следующих исходных абстракциях:  хромосома состоит из генов; гены расположены на хромосоме в линейном порядке; ген — неделимая корпускула наследственности, “квант”; в мутациях ген изменяется как целое. Первое время среди представителей различных концепций наследственности было очень много споров. Преодоление противоречий между генетикой и эволюционной теорией стало возможным с созданием синтетической теории эволюции, которая выступает основанием всей системы современной эволюционной биологии. Синтез генетики и эволюционного учения был качественным скачком в развитии как генетики, так и эволюционной теории. Принципиальные положения синтетической теории эволюции были заложены работами С. С. Четверикова, а также  

                                                                                                                              7

Р.Фишера, С. Райта, Дж. Холдейна, Н.П. Дубинина и др. Непосредственными                                                                 предпосылками для синтеза генетики и теории эволюции выступали: хромосомная теория наследственности, биометрические и математические подходы к анализу эволюции. В основе этой теории лежит представление о том, что элементарной “клеточкой” эволюции является не организм и не вид, а популяция. Наследственное изменение популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием ряда эволюционных факторов (изменяющих генотипический состав популяции): мутационный процесс (поставляющий элементарный эволюционный материал), популяционные волны (колебания численности популяции в ту или иную сторону от средней численности входящих в нее особей), изоляция (закрепляющая различия в наборе генотипов и способствующая делению исходной популяции на несколько самостоятельных), естественный отбор   (процесс, определяющий вероятность достижения индивидами репродукционного возраста). Популяция — та реальная целостная система взаимосвязи организмов, которая обладает всеми условиями для саморазвития,  способностью наследственного изменения в смене биологических поколений. Элементарной единицей наследственности выступает ген (участок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК, отвечающий за развитие определенных признаков организма). Естественный отбор является ведущим эволюционным фактором, направляющим эволюционный процесс. Формирование синтетической теории эволюции ознаменовало переход к популяционной концепции, сменившей организмоцентрическую. Это открыло качественно новый этап в развитии биологии — переход к созданию единой системы биологического знания, воспроизводящей законы развития и функционирования органического мира как целого.

                              

                                                                                                                               8

                                 Развитие генной инженерии
Как раздел молекулярной биологии генная инженерия возникла в 1970-е гг. Её задачи были связанны созданием различных комбинаций генетического материала, способного размножаться (в клетке) и синтезировать конечные продукты.  В создании этих комбинаций  играют особые ферменты (рестриктазы, ДНК-лигазы).  Рассекая молекулу ДНК на фрагменты в строго определенных местах, они соединяют эти фрагменты ДНК в единое целое.  Создание искусственных гибридных генетических структур  рекомбинантных  ДНК стало  возможным после выделения таких ферментов. Такая молекула ДНК содержит искусственный гибридный ген (или набор генов) и «вектор-фрагмент» ДНК, обеспечивающий размножение рекомбинированной ДНК и синтез ее конечных продуктов — белков. Все это уже происходит в клетке-хозяине (бактериальной клетке), куда вводится рекомбинированная ДНК. Методами генной инженерии сначала были получены трансгенные микроорганизмы, несущие гены бактерии и гены онко-генного вируса обезьяны, а затем — микроорганизмы, несущие в себе гены мушки дрозофилы, кролика, человека и т.д. Впоследствии удалось осуществить микробный (и недорогой) синтез многих биологически активных веществ, присутствующих в тканях растений и животных в низких концентрациях: интерферона и гормона роста человека, инсулина, вакцины против гепатита, а также клеточных гибридов, синтезирующих антитела желаемой специфичности, ферментов гормональных препаратов, и т.п. Трансгенная биотехнология, занимается конструированием и применением трансгенных организмов. В неразрывной связи с генной инженерией развиваются фундаментальные исследования в молекулярной биологии. Направлениями молекулярной биологии и генной инженерии является изучение геномов растительных и животных видов и разработка способов их реконструкции. В отличие от генотипа геном представляет собой

                                                                                                                              9

характеристику вида, а не отдельной особи. Геном — это совокупность генов, характерных для гаплоидного, т.е. одинарного набора хромосом данного вида организмов. Исследования ведет молекулярную биологию от выяснения способов воссоздания генома вида к разработке способов воссоздания генотипа особи. Известно что геном человека состоит из 3 млрд нуклеотидов, из них30 млн (около 10% всей хромосомной ДНК) объединены

в 40 тысяч генов. Можно предложить что геном человека — это созданный природой грандиозный текст, состоящий из 3 млрд букв, под которыми подразумеваются молекулы-нуклеотиды — аденин, гуанин, цитозин и тимин. В 2003 г. были выявлены последовательности нуклеотидов в 40 тыс. генов человека. В чём функции остальных 90% нуклеотидов ДНК не вполне понятны, и сейчас они исследуются. Замечено что разница на уровне ДНК между двумя людьми составляет в среднем один нуклеотид на тысячу, наследственные индивидуальные особенности каждого человека они и обусловливают.
                                   Химический синтез ДНК
Информацию, записанную в молекуле ДНК, можно прочитать, разрывая и вновь создавая относительно слабые водородные связи, совсем не затрагивая более прочные связи «сахар-фосфат» в цепочке-матрице. В полимерных молекулах ДНК природа кодирует информацию, необходимую для создания живого организма. Цепочка из повторяющихся сложноэфирных фосфатных связей между сахарами образует жесткий скелет ДНК, на котором информация записывается с помощью особого алфавита из четырех «букв» генетического кода:  аденина, тимина, цитозина и гуанина (А, Т, С, G). Последовательность таких «букв» кодирует информацию. Каждая «буква» содержит несколько атомов азота, ковалентно связанных с фрагментами

                                                                                                                             10

cахаров. Двойная спираль ДНК включает водородные связи. Первый химический синтез гена, потребовал многолетней напряженной работы.           В промышленных лабораториях уже синтезированы гены инсулина и интерферона. Произведен синтез гена для фермента рибонуклеозы, открывающей возможность изменять желаемым образом физические и химические свойства белка.     
        Успехи, возможности, и перспективы в генной инженерии
Генная инженерия открыла перспективы конструирования новых биологических организмов — трансгенных растений и животных с заранее запланированными свойствами. Cамыми   современными  методами  получаются фрагменты генов длиной в сотни пар оснований, а для дальнейших исследований нужны фрагменты в 100 и более. Молекулярная биология позволяет вводить почти любой отрезок ДНК в микроорганизм, чтобы заставить его синтезировать тот белок, который кодирует данная ДНК. А современная органическая химия синтезирует последовательности нуклеотидов – фрагменты генов.  Эти фрагменты  можно применять для изменения исходной последовательности оснований в гене, кодирующем нужный белок.  Например,  можно получить модифицированный белок с измененной последовательностью аминокислот, т. е. белок со структурой и функцией, ранее не существовавшими в природе. Такой метод осуществления специфических мутаций в нормальных белках получил название мутагенеза. Он позволяет получить белки любой структуры. Кроме того, один раз синтезированная молекула гена, кодирующего белок, с помощью микроорганизмов может воспроизвести белок в любых количествах. Огромное значение имеет изучение генома человека.  Один из самых трудоемких и дорогостоящих в истории науки международных

                                                                                                                      11

проектов «Геном человека». В рамках этого проекта была поставлена задача  выяснить последовательность нуклеотидных оснований во всех молекулах ДНК человека и локализовать их, т.е. полностью картировать все гены человека. Ожидается, что затем исследователи определят все функции генов и разработают технологические способы использования этих данных. В ходе выполнения проекта «Геном человека» разработано много новых методов исследования, большинство из которых в последнее время используется. Это значительно ускоряет и удешевляет расшифровку ДНК, что является важнейшим условием для их широкого использования в медицинской практике, фармакологии, криминалистике и т.д. Среди этих методов есть и такие, которые позволяют расшифровывать генотип отдельного человека и создавать генные портреты людей. По последовательностям ДНК можно устанавливать степень родства людей. Разработан метод «генетической дактилоскопии», который с успехом применяется в криминалистике. Сходные подходы можно использовать в антропологии, палеонтологии, этнографии, археологии. Это дает возможность эффективнее лечить болезни, оценивать способности и возможности человека, выявлять различие между популяциями, оценивать степень приспособленности человека к той или иной экологической обстановке.
                                                Заключение
 К настоящему времени известно около 10 тыс. различных заболеваний человека, из которых более 3 тыс. — наследственные. Выявлены мутации, отвечающие за такие заболевания, как гипертония, диабет, некоторые виды слепоты и глухоты, злокачественные опухоли; обнаружены гены,

                                                                                                                             12

ответственные за одну из форм эпилепсии, гигантизм и др. С недавних пор остро обсуждается вопрос о конфиденциальности генетической информации о конкретных людях. В некоторых странах приняты законы, ограничивающие распространение такой информации. В настоящее время для медицинских целей разрабатываются технологии, позволяющие за одну неделю получить «генетическую карту» человека и записать ее на компакт-диск. Вместе с тем, как говорят специалисты, изучение генома человека прояснило гораздо меньше загадок, чем ожидалось. Удалось только «поставить указатели» для дальнейших исследований. Прочтение генома — это первый этап в понимании его функционирования. Задача следующего — разобраться в том, каковы функции генов, как и какие белки они синтезируют, как функционируют гены по отдельности и как они взаимодействуют между собой; иначе говоря, как работают вместе 3 млрд нуклеотидов. Это, пожалуй, главная проблема биологии XXI в.
                                

                                    Литература
1.Найдыш В.М.  Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд. 2-е, – М.: 2004. — 622 с.

2.Карпенков С.Х.  Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Академический Проект, 2000.  –  639 с.

3.Самыгин С.И.  Концепции современного естествознания: Ростов н / Д.: Феникс, 2005. – 413с.

4.Садохин А. П. Концепция современного естествознания. – М.: Омега, 2006.

5.Торосян В.Г. Концепция современного естествознания: Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 2003.