Генная инженерия как новый этап биологической эволюции

ВВЕДЕНИЕ

     Естествознание  затрагивает широкий спектр вопросов о многочисленных и всесторонних проявлениях свойств природы. Современное человечество живет в новом тысячелетии и это заставляет людей уделять большее внимание своему будущему и разумному осмыслению нашего прошлого.

     В XX в. динамичное развитие биологического познания привело к открытию молекулярных основ живого. Наука непосредственно  приблизилась к решению величайшей проблемы – раскрытию сущности жизни. Наука не только решает задачи, которые ставит перед собой сегодняшний день, но и подготовляет завтрашний день техники, медицины, сельского хозяйства, межзвездных полётов, покорения природы. Одна из самых перспективных наук – генетика, изучающая явления наследственности и изменчивости организмов. По своему значению биология, в которой генетика занимает ключевое положение, становится одним из лидеров в естествознании. Влияние генетики на жизнь людей в ближайшем будущем очень велико. Она поможет решить главные стратегические задачи.

     Главная цель реферата – рассмотрение темы: «Генная инженерия как новый  этап биологической эволюции».

     Основные  задачи реферата:

1. Понять смысл и изучить основные характеристики нового этапа биологической эволюции – генная инженерия;
2. установить возможности генной инженерии;
3. рассмотреть  преимущества и недостатки генной инженерии;
4. выяснить практические результаты генной инженерии;
5. изучить перспективы генной инженерии.

     В своей работе я раскрываю основные характеристики новейшей технологии- генная инженерия. В настоящее время эта тема весьма актуальная тема. Возможности, открываемые генетической инженерией перед человечеством как в области фундаментальной науки, так и во многих других областях, весьма велики и нередко даже революционны. Так, она позволяет осуществлять индустриальное массовое производство нужных белков, значительно облегчает технологические процессы для получения продуктов ферментации - энзимов и аминокислот, в будущем может применяться для улучшения растений и животных, а также для лечения наследственных болезней человека, она ставит своей задачей исправить недостатки природы.

     Но  особенно большие возможности генная инженерия открывает перед медициной  и фармацевтикой, поскольку применение генной инженерии и гибридомных  методов может привести к коренным преобразованиям медицины. Многие болезни, для которых в настоящее время  не существует адекватных методов диагностики  и лечения (раковые, сердечно - сосудистые, вирусные и паразитные инфекции, нервные и умственные расстройства), с помощью генной инженерии и биотехнологии станут доступны и диагностике, и лечению. Под влиянием биотехнологии медицина может превратиться из преимущественно эмпирической в фундаментально теоретически обоснованную дисциплину с ясным пониманием, происходящих в организме молекулярных и генетических процессов.

     Таким образом, генная инженерия, активно  способствует ускорению решения  многих задач, таких, как продовольственная, сельскохозяйственная, энергетическая, экологическая, а также задачи микробиологической промышленности.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Что такое  генетическая инженерия?

      Генная  инженерия возникает в70-е гг. как  новая отрасль молекулярной биологии, главная задача которой – активная и целенаправленная перестройка  ген в живых существ, их конструирование, то есть управление наследственностью. Генотип является не просто механическая сумма генов, а сложная, сложившаяся в процессе эволюции организмов система. Генная инженерия позволяет путем операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов дает возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим.

     Носителями  материальных основ генов служат хромосомы, в состав которых входят ДНК и белки. Но гены образования  не химические, а функциональные. С  функциональной точки зрения ДНК  состоит из множества блоков, хранящих определенный объем информации —  генов. В основе действия гена лежат  его способность через посредство РНК определять синтез белков. В  молекуле ДНК как бы записана информация, определяющая химическую структуру  белковых молекул. Ген — участок  молекулы ДНК, в котором находится  информация о первичной структуре  какого-либо одного белка (один ген  — один белок). Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов. Совокупность всех генов клетки составляет ее геном. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная  часть хранимой информации. Перестройка генотипов, при выполнении задач генной инженерии, представляет собой качественные изменения генов не связанные с видимыми в микроскопе изменениями строения хромосом. Изменения генов прежде всего связано с преобразованием химической структуры ДНК. Информация о структуре белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов, реализуется в виде последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и включение других нуклеотидов меняют состав образующихся на ДНК молекулы РНК, а это, в свою очередь, обуславливает новую последовательность аминокислот при синтезе. В результате в клетке начинает синтезироваться новый белок, что приводит к появлению у организма новых свойств. Сущность методов генной инженерии заключается в том, что в генотип организма встраиваются или исключаются из него отдельные гены или группы генов. В результате встраивания в генотип ранее отсутствующего гена можно заставить клетку синтезировать белки, которые ранее она не синтезировала.

     Наиболее  распространенным методом генной инженерии  является метод получения рекомбинантных, т.е. содержащих чужеродный ген, плазмид. Плазмиды представляют собой кольцевые  двухцепочные молекулы ДНК, состоящие  из нескольких тысяч пар нуклеотидов. Этот процесс состоит из нескольких этапов.

1. Рестрикция — разрезание ДНК, например, человека на фрагменты.
2. Лигирование — фрагмент с нужным геном включают в плазмиды и сшивают их.
3. Трансформация —введение рекомбинантных плазмид в бактериальные клетки. Трансформированные бактерии при этом приобретают определенные свойства. Каждая из трансформированных бактерий размножается и образует колонию из многих тысяч потомков — клон.
4. Скрининг — отбор среди клонов трансформированных бактерий тех, которые плазмиды, несущие нужный ген человека.

     Весь  этот процесс называется клонированием. С помощью клонирования можно  получить более миллиона копий любого фрагмента ДНК человека или другого  организма.

     Еще с 80-х годов появились программы  по изучению генома человека. В процессе выполнения этих программ уже прочитано  около 5 тысяч генов (полный геном  человека содержит 50-100 тысяч). Обнаружен  ряд новых генов человека. Генная инженерия приобретает все большее  значение в генотерапии. Потому, что  многие болезни заложены на генетическом уровне. Именно в геноме заложена предрасположенность  ко многим болезням или стойкость  к ним. 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Возможности генной инженерии

    Значительный  прогресс достигнут в практической области создания новых продуктов  для медицинской промышленности и лечения болезней человека

     В настоящее время фармацевтическая промышленность завоевала лидирующие позиции в мире, что нашло отражение  не только в объёмах промышленного  производства, но и в финансовых средствах, вкладываемых в эту промышленность (по оценкам экономистов, она вошла  в лидирующую группу по объёму купли-продажи  акций на рынках ценных бумаг). Важной новинкой стало и то, что фармацевтические компании включили в свою сферу выведение  новых сортов сельскохозяйственных растений и животных, и тратят на это десятки миллионов долларов в год, они же мобилизировали выпуск химических веществ для быта. Добавок  к продукции строительной индустрии  и так далее. Уже не десятки  тысяч, а возможно, несколько сот  тысяч высококвалифицированных  специалистов заняты в исследовательских  и промышленных секторах фарминдустрии, и именно в этих областях интерес  к геномным и генно-инженерным исследованиям  исключительно высок. Очевидно поэтому  любой прогресс биотехнологий растений будет зависеть от разработки генетических систем и инструментов, которые позволят более эффективно управлять трансгенами.

     Будущее, очевидно, будет за управляемым переносом  генов от сорта к сорту, основанного  на применении предварительно подготовленного  растительного материала, который  уже содержит в нужных хромосомах участки гомологии, необходимого для  гомологичного встраивания трангена. Помимо интегративных систем экспрессии, будут опробованы автономно реплицирующиеся векторы, особый интерес представляют искусственные хромосомы растений, которые теоретически не накладывают никаких ограничений на объём вносимой теоретической информации.

     Кроме этого учёные занимаются поиском  генов, кодирующих новые полезные признаки. Ситуация в этой области меняется радикальным образом, прежде всего, существованию публичных баз  данных, которые содержат информацию о большинстве генов, бактерий, дрожжей, человека и растений, а также в  следствии разработки методов, позволяющих  одновременно анализировать экспрессию большого количества генов с очень  высокой пропускной способностью. Применяемые  на практике методы можно разделить  на две категории:Методы, позволяющие  вести экспрессионное профилирование: субстракционная гибридизация, электронное сравнение EST-библиотек, «генные чипы» и так далее. Они позволяют устанавливать корреляцию между тем или иным фенотипическим признаком и активностью конкретных генов. Известно несколько методов объединения фрагментов ДНК из разных источников, позволяющих включить клонируемую донорную ДНК в состав вектора.

     Одним из перспективных методов клеточной  инженерии в культуре клеток человека, животного и растения является гибридизация соматических клеток (Б. Эфрусси и Г. Барски).

     В культивируемые клетки млекопитающих  или развивающиеся эмбрионы ДНК вводят методом микроинъекции ДНК в ядро с помощью микроманипулятора.

     Развитие  методов микрохирургии клеток позволило  заменять ядра оплодотворенных яйцеклеток на ядра из соматических клеток и в результате получать организм, идентичный тому, чье ядро было перенесено в яйцеклетку. Создание гибридов высших растений возможно путем слияния протопластов и соматической гибридизации растительных клеток. Все эти методы могут использоваться для конструирования новых форм микроорганизмов, животных и растений, несущих гены, детерминирующие желаемые признаки.

     Не  менее важна генная инженерия  как аппарат фундаментальных исследований.

     Потенциальные возможности генной инженерии в  действительности очень велики, и они будут реализовываться. 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Преимущества генной инженерии

     1) По заверениям ученых демографов, в ближайшие двадцать лет население земного шара удвоится, прокормить такое количество людей будет просто невозможно. Следовательно, уже сейчас пора подумать о том, как с наименьшими потерями поднять урожайность сельхозугодий вдвое. Поскольку для обычной селекции срок в два десятилетия крайне мал, то остается механическая модификация генетического кода растений. Можно, например, добавить ген устойчивости к насекомым-вредителям или сделать растение более плодовитым. Это основной довод трансгенетиков.

       2) С помощью генной инженерии можно увеличить в генетически измененной продукции содержание полезных веществ и витаминов по сравнению с «чистыми» сортами. Например, можно «вставить» витамин А в рис, с тем чтобы выращивать его в регионах, где люди испытывают его нехватку.

     3) Можно существенно расширить ареалы посева сельхозпродуктов, приспособив их к экстремальным условиям, таким, как засуха и холод.

     4) Путем генетической модификации растений можно существенно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами и гербицидами. Ярким примером здесь является уже состоявшееся внедрение в геном кукурузы гена земляной бактерии Bacillus thuringiensis, уже снабжающего растение собственной защитой, так называемым Bt-токсином, и делающего по замыслу генетиков дополнительную обработку бессмысленной.

     5) Генетически измененным продуктам могут быть приданы лечебные свойства. Ученым уже удалось создать банан с содержанием анальгина и салат, вырабатывающий вакцину против гепатита B.

     6) Еда из генетически измененных растений может быть дешевле и вкуснее.

     7) Модифицированные виды помогут решить и некоторые экологические проблемы. Конструируются растения, эффективно поглощающие цинк, кобальт, кадмий, никель и прочие металлы из загрязненных промышленными отходами почв.

     8) Генная инженерия позволит улучшить качество жизни, очень вероятно –существенно продлить её; есть надежда найти гены, ответственные застарение организма и реконструировать их. 
 

4. Недостатки генной инженерии

     В настоящее время генная инженерия  технически несовершенна, так как  она не в состоянии управлять  процессом встраивания нового гена. Поэтому невозможно предвидеть место  встраивания и эффекты добавленного гена. Даже в том случае, если местоположение гена окажется возможным установить после его встраивания в геном, имеющиеся сведения о ДНК очень  неполны для того, чтобы предсказать  результаты.