ПЕНЗЕНСКИЙ  ФИЛИАЛ  
НЕГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«АКАДЕМИЯ МНЭПУ» 
 
 
 

Факультет             Экологии, управления и права 
Специальность  Мировая экономика 
Дисциплина         Концепция современного естествознания 
 
 

Контрольная работа 
на тему: «Генная инженерия». 
 

Выполнил: 
студент гр. МЭЗ-1 
Проверил: 
Преподаватель 
Федосеев Олег Николаевич 
 

Пенза, 2011 

Содержание 

Введение

   Генетика вначале была использована для борьбы против дарвинизма. Устойчивость генов трактовалась как их неизменность. Мутационная изменчивость отождествлялась непосредственно с видообразованием и, как казалось, как будто отменяла естественный отбор в качестве главного фактора эволюции. Но уже к концу 20-х годов XX в, становилось все яснее, что генетика раскрывает конкретный механизм изменчивости, соотношение свойств организма и характера внешних воздействий в возникновении индивидуальных изменений. 

   Основатель мутационной теории Гуго де Фриз считал, что каждая мутация ведет к возникновению нового вида и сводил эволюцию к простому накоплению мутаций. На самом деле мутации лишь поддерживают наследственную неоднородность популяций и других эволюционных групп.         Но это необходи­мое, но еще недостаточное условие эволюционного процесса. Необходимы также необратимые изменения среды — как абиотические по своему происхождению  изменения климата, горообразование и т.п.), так и биогенные, порожденные самой жизнью, к которым присоединились антропогенные, обусловленные человеческой деятельностью. 

   Важную роль в объединении генетики и эволюционной теории, в разработке генетики популяций, сыграли С.С. Четвериков, Н.П. Дубинин и другие русские ученые. В 40-50-е годы XX в. И.И. Шмальгаузен, опираясь на достижения гене­тики, конкретизировал учение о естественном отборе, выделив две его формы: стабилизирующий отбор и ведущий отбор. 

   Генетика — наука о наследственности, способах передачи признаков от родителей к детям, о механизмах индивидуальной изменчивости организмов и способах управления ею.  

   Исходные законы наследственности были открыты чешским ученым Грегором Менделем в 1865 г. и переоткрыты независимо от него Гуго де Фризом в Голландии, Карлом Корренсом в Германии и Эрихом Чермаком в Австрии. Они и есть основатели генетики. Вторым крупнейшим этапом в истории генетики явилось обоснование Г. Морганом хромосомной теории наследственности, согласно которой основную роль в передаче наследственной информации играют хромосомы клеточного ядра. 

   Важнейшим в генетике является понятие «ген». Ген вначале представляли чисто формально, вроде счетной единицы. Потом установили, что ген — участок цепочки ДНК и он сам имеет сложную структуру. Число возможных различных сочетаний четырех органических оснований по длине цепочки ДНК составляет гигантскую величину 410 000, которая превышает число атомов в Солнечной системе. На основе такого разнообразия действительно может возникнуть практически бесконечное число наследственных изменений, обеспечивающих эволюцию и разнообразие органического мира. Наследственность обеспечивает преемственность живого на Земле, а изменчивость — многообразие форм жизни. И то, и другое связаны неразрывно. 

   Генетика различает основные формы изменчивости; генотипическую, передаваемую по наследству, и фенотипическую, не передаваемую по наследству. Наиболее ярко наследственная изменчивость проявляется в мутациях — перестройках наследственного основания, генотипа организма. Крупная мутация всегда выражается в форме более или менее резкого на­следственного морфофизиологического уклонения единственной особи среди многих других, остающихся неизменными. Но в большинстве случаев мутации имеют вид небольших уклонений. 

   Важно понять, что мутации сами по себе не являются приспособительными изменениями, непосредственно направленными на выживание организмов в данных определенных условиях. Они возникают случайно, хотя и под воздействием внутренней и внешней среды, т.е. не беспричинно. Они зависят от условий среды и могут быть получены специальным воздействием ионизирующей радиации, химических реагентов и т.п.  

   Но экспериментально получаемые мутации тоже не носят характера адаптивных изменений. Адаптации, приспособления создаются лишь в результате отбора. 

   Сначала под генотипом понимали систему всех генов, входящих в состав клеток, сейчас объем этого понятия сужен до совокупности хромосомных ДНК организма, а совокупность всех генов называют геномом. 

   Под генотипом следует понимать только наследственную структуру организма. Понятие же фенотипа обозначает совокупность доступных наблюдений индивидуальных признаков особи. Один из создателей современной генетики академик Н.П. Дубинин сравнивает соотношение генотипа и фенотипа с соотношением сущности и явления, подчеркивая большую устойчивость генотипа и подвижность, текучесть фенотипа. Фенотип является результатом взаимодействия генотипа и среды, поэтому он может быть сложнее и многообразнее генотипа. 

   Индивидуальное развитие живого организма от зарождения до смерти осуществляется под влиянием как генетических программ и подпрограмм, так и внешних условий. Из-за этого одинаковая генетическая основа (генотип) не всегда приводит к формированию организмов с одинаковым фенотипом, оди­наковым набором свойств. У организма складываются такие признаки, которые облегчают его существование именно в данных конкретных условиях. Удачные приспособительные изменения (смена сезонной окраски, усиление или ослабление теплого шерстного покрова и т.п.) регулируются естественным отбором, обеспечивая выживание организмов с генотипами, способными оптимально реагировать на изменение внешней среды. 

1.Генетика и эволюция

Понять  сущность эволюционных процессов помогает генетика — наука о наследственности, изменчивости организмов и методах  управления ими.

Ген является элементарной единицей наследственности. Задачами генетики являются:

изучение  структуры единиц наследственности (генов);

анализ  механизма функционирования генов;

реализация  генетической информации (в частности, для увеличения производительности животноводства и сельхоз-структур);

анализ  функционирования генов на разных этапах развития организма.

Таким образом, генетика изучает два фундаментальных  свойства живых систем - наследственность и изменчивость. 

На сегодня  известно, что гены и хромосомы (генотип  — совокупность наследственных структур) определяют фенотип -совокупность всех признаков организма, который является результатом взаимодействия генотипа и окружающей Среды (питание., температура, радиация и др.).

Перестройку гена называют мутацией.

Новый организм, носитель мутации — мутант, а факторы, вызывающие эти изменения, — мутагены. 

Наиболее  сильное влияние из факторов окружающей Среды (в сотни раз сильнее  других) оказывают радиоактивные  элементы, а количество мутаций пропорционально  дозе облучения, что доказал американский генетик К. Миллер, работавший с лучами Рентгена1. 

   В познании закономерностей наследственности существенную роль сыграл чешский исследователь Г. Мендель (1822 -18 84), сформулировавший законы наследственности. Доказано, что признаки организмов определяются дискретными наследственными факторами. 

   Хромосома любого организма содержит длинную непрерывную цепь ДНК, несущую множество генов. 

   Установлены принципиальные их характеристики, имеющие всеобщее и фундаментальное значение, например дискретность и линейное расположение в хромосоме. Другие определенные закономерности, например расщепление признаков в потомстве гибридов, отмечены только у диплоидных эукариотических организмов. 

  Методы генетического анализа очень разнообразны, одним из первых является гибридологический. Суть его заключается в скрещивании организмов, отличающихся друг от друга по одному или нескольким признакам, и детальном анализе потомства.  

  Такие исследования позволили Г. Менделю сформулировать законы наследования. 

Первый, или закон единообразия:

  У гибридов первого поколения проявляются признаки только одного родителя (доминантный признак), не проявляющиеся при этом признаки Мендель назвал рецессивными.  

Второй, или закон расщепления: 

  В потомстве, полученном от скрещивания гибридов первого поколения, наблюдается явление расщепления; в случае полного доминирования четверть особей из гибридов второго поколения имеет рецессивный признак, три четверти — доминантный.

Третий  или закон независимого комбинирования:  

  Расщепление по каждой паре генов идет независимо от других пар генов. Этот закон справедлив только в случаях независимого наследования, когда гены, отвечающие за эти признаки, расположены в разных парах гомологичных хромосом. 

  Понятие наследования признака употребляют обычно как образное выражение, так как наследуется лишь ген, отвечающий за этот признак.  Признаки формируются в ходе индивидуального развития организма и обусловливаются генотипом и влиянием внешней среды. 

  Законы генетики носят статистический характер, так как при образовании зиготы сочетание генов имеет случайный характер, а ожидаемый результат скрещивания будет выполняться тем точнее, чем больше число потомков. 

  Признаки организма (способы их описания с целью различия) можно разделить на две группы — качественные и количественные.  

  Качественными называют признаки, устанавливаемые описательным (биологическим) путем (окраска, форма, масть, половые различия). Наследование качественных признаков происходит по законам Менделя. 

  Изменчивость (разнообразие) в целом носит не только качественный, но и количественный характер, который определяется измерением (яйценоскость, масса семян...), Большинство признаков, важных при разведении животных и выращивании растений, носит количественный характер. 

  Живые организмы постоянно испытывают воздействие разнообразных факторов Среды обитания. Среда может влиять на формирование как количественных, так и качественных признаков. Среда приводит к естественному отбору как фактору эволюции в результате борьбы за существование. Он основывается на преимущественном выживании наиболее приспособленных особей каждого вида и гибели менее приспособленных. Под борьбой за существование понимают внутривидовую и межвидовую конкуренцию, отношения хищник-жертва, взаимодействие с абиотическими факторами Среды и т. д. Однако наряду с конкуренцией существует и взаимопомощь у особей в пределах вида. 

  В процессе эволюции происходит направленное изменение фенотипа и генотипа вследствие размножения организмов. Приспособленность к определенным условиям Среды не означает прекращения естественного отбора в популяций. Существует форма отбора, которая постоянно исключает уклоняющихся от нормы особей, — так называемый стабилизирующий отбор. 

  К середине XX века эволюционная теория Дарвина была дополнена следующими положениями: отрицание наследования приобретенных признаков; доказательство постепенности эволюционного процесса; осознание эволюции как процесса, протекающего на популяционном уровне; подтверждение фундаментальной роли естественного отбора; выявление механизмов наследственной изменчивости и оценка ее вклада в эволюционный процесс; установление эволюционных закономерностей — онтогенеза (индивидуального развития организма). 

  Как резюмировал Вернадский, "Живой, динамический процесс бытия, науки, связывающий прошлое с настоящим, стихийно отражается в среде обитания человечества, является все растущей геологической силой, превращающей биосферу в ноосферу. Это природный процесс, независимый от исторических случайностей" Вернадский В.И. "Биосфера и ноосфера"— М: 1988. 

  Законы эволюции требуют дальнейшего изучения, но существуют современные гипотезы, подкрепленные фактами палеонтологии, биогеографии, сравнительной эмбриологии и биохимии. 

  Рассматривая эволюцию на молекулярном уровне, можно сказать, что направленная эволюция обусловливает развитие популяции молекул в определенном направлении, благодаря циклам селекции, амплификации и мутаций.  

  Молекулярный биолог может читать гены какого-либо организма как исторический документ, свидетельствующий о его эволюции, но написанный химическим языком (структура молекулы ДНК). В настоящее время исследуется и сам механизм, производящий эволюционные изменения.          Разработанные математические модели эволюции позволяют выявить общие закономерности эволюции различных систем. Они опираются на теорию информации и самоорганизации. 

  Современные данные палеонтологии говорят о квантовом характере видообразования. В соответствии с геологическим временем этот процесс почти мгновенен. Анализ уравнений популяционной генетики показывает, что процесс видообразования похож на фазовый переход. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Генная инженерия

   Генная инженерия — экспериментальная наука. Возникла на стыке молекулярной биологии и генетики официально в 1972 г., когда в лаборатории П. Берга (Стенфордский университет, США) была получена первая рекомбинантная (гибридная) ДНК на базе объединения генетического материала, полный геном вируса обезьян 40, часть генома измерного бактериофага и гены галактозного оперона.  

  Генная инженерия нацелена на создание организмов с новыми комбинациями наследственных свойств путем конструирования функционально-активных генетических структур в форме рекомбинантных ДНК из фрагментов геномов разных организмов, которые вводились в клетку. 

  Как отмечалось, впервые рекомбинантную ДНК получила группа П. Берга в 1972 г. 

  В 1973-74 гг. С. Коэном, Д. Хелинским, Г. Бойером и другими учеными впервые сконструированы функционально активные молекулы гибридной ДНК, то есть удалось их клонирование. Были созданы первые, не существующие в Природе, плазмиды (стабилизатор наследства) на базе ДНК из разных видов бактерий и высших организмов, из ДНК лягушки (кодирующей синтез рРНК), морского ежа (контролирующей синтез белков-гистон), и от мыши. 

  Вскоре аналогичная работа была выполнена в нашей стране группой специалистов под руководством С. И. Алиханяна и А. А. Баева. 

  Достижения генетики и химии нуклеиновых кислот позволили разработать методологию генной инженерии: 

—открытие явления рестрикции — модификации  ДНК и выделение ферментов  рестриктаз для получения специфических  ферментов; 

—создание методов химического и ферментативного  синтеза генов; 

—выявление  векторных молекул ДНК, способных  перенести в клетку чужеродную ДНК и обеспечить там экспрессию соответствующих генов; 

— разработка методов трансформации у различных  организмов и отбор клонов, несущих  рекомбинантные ДНК. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.Методики  генной инженерии

   Явление рестрикции — модификации ДНК впервые наблюдали Г. Бертани и Д. Ж. Вейгль, а его суть раскрыл В. Арберг: в бактериях действуют специальные ферменты, способные специфично распознать "свою" (бактериальную) ДНК от "чужой" (фаговой). Эти ферменты ограничивают возможность размножения фаговой ДНК в бактериях путем ее специфичной (в зависимости от типа фермента) деградации. Такие ферменты были названы эндонуклеазами рестрикции няирестриктазами. 

   В 1971 г. группой Г. Смитга была выделена первая рестриктаза, специфично расщепляющая двухцепочную ДНК в строго определенных сайтах. Вскоре было установлено, что болынинство видов бактерий обладает специфичными системами рестрикции — модификации. 

   В генной инженерии используют ферменты, разрывающие двухцепочную ДНК в зоне участка узнавания или на незначительном фиксированном расстоянии от него. Фермент распознает специфичную последовательность и разрезает ее. В последнем случае образуются выступающие одноцепочечные концы, получившие название "липких". В настоящее время известно несколько сотен таких рестриктаз, что обеспечивает возможность получения различных фрагментов ДНК, содержащих желаемые гены. 

Работы  в направлении синтеза гена начались еще до 1972 г. 

  Так в 1969 г. появились публикации по выделению генов при помощи физических и генетических методов. 

   На начальном этапе развития генной инженерии широко ис­пользовался способ получения генов из природных источников, и он до сих пор применяется для создания банка генов. 

   В том же году группой Корани впервые осуществлен химический синтез расшифрованного гена аланиновой тРНК дрожжей, но функционально не активный; позднее и активный ген супрессорный тирозиновой тРНК, галактозного оперона. 

   Этому способствовало совершенствование методов определения первичных структур (секвенирования) нуклеиновых кислот, а также белков и других продуктов, кодируемых синтезированным геном. 

  Секвенирование ДНК играет большую роль и в изучении функций генов и генетических систем. 

   Метод химического синтеза генов и введения их в клетки микроорганизмов обеспечил возможность получения продуцентов инсулина человека для лечения больных диабетом, открылся путь для производства продуктов белковой природы. 

   Широкое распространение нашел метод ферментативного синтеза генов по механизму обратной транскрипции. Не вдаваясь в его суть, отметим, что он позволяет синтезировать практически любой ген в присутствии соответствующих иРНК, методы выделения которых достаточно хорошо разработаны. 

   С его помощью созданы и клонированы в бактериях гены, кодирующие глобины человека, животных, птиц и т. п., интерферон человека, который используют для борьбы с вирусными инфекциями, злокачественными опухолями и рядом других заболеваний. 

   Однако остается нерешенной проблема стабильности гибридных молекул. Вектор должен обеспечивать стабильное наследование рекомбинантных ДНК в автономном, реже интегрированном с хромосомой состоянии, иметь генетические маркеры для обнаружения трансформированных клеток, содержать сайт узнавания и др. Он используется для получения банка генов, так как клонированные в них большие фрагменты ДНК легко хранить, выделять и анализировать.        Создаются специальные векторы и для клонирования рекомбинантных ДНК в клетках животных и растений, при этом в клетках животных ими могут быть некоторые вирусы, а растений — агробактерии на основе специальных плазмид и передаваться клеткам в естественных условиях бактериями. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.Схема, используемая в генной инженерии

1. Обработка кольцевой векторной молекулы рестриктазой с образованием линейной формы ДНК. 

2. Формирование  гибридной структуры путем слияния  ее с фрагментом чужеродной  ДНК. 

3.  Введение  гибрида в клетку реципиента. 

4.  Отбор  клонов трансформированных клеток  на селективных средах. 

5. Доказательство  присутствия рекомбинантной ДНК  в этих клонах путем ее выделения  из клеток, обработки соответствующими  рестриктазами и анализа образовавшихся  фрагментов методом электрофореза. 

   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. 

5. Практические результаты в генной инженерии

   Эмбриогенез — это феноменальный процесс, при котором информация, заложенная в линейной структуре ДНК, реализуется в трехмерный организм.  

   ДНК представляет запись последовательности аминокислот для построения молекул различных белков. В эмбриональном развитии в разное время появляются разные белки. Существуют гены-регуляторы, которые определяют время и скорость синтеза. Установлены состав и структура гена, но неизвестно как кодируется форма организма и, соответственно, как линейные спирали цепочной структуры белков соединяются в объемные структуры. 

   Клонирование есть воспроизведение живого существа из его неполовых клеток. Это попытка прорыва сквозь запреты Природы. 

   Клонирование органов и тканей — это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и др. областях медицины и биологии.  

   При пересадке клонированных органов не возникает реакции отторжения и возможных последствий (например, рака, развивающегося на фоне иммунодефицита). Клонированные органы — это спасение для людей, попавших в автомобильные аварии или иные катастрофы, а также нуждающихся в радикальной помощи из-за каких-либо заболеваний. 

   Клонирование может дать возможность бездетным людям иметь своих собственных детей, поможет людям, страдающим тяжелыми генетическими заболеваниями. Так, если гены, определяющие какую-либо подобную болезнь, содержатся в хромосомах отца, то в яйцеклетку матери пересаживается ядро ее собственной соматической клетки, тогда появится ребенок, лишенный опасных генов, точная копия матери. Если эти гены содержатся в хромосомах матери, то в ее яйцеклетку будет перемещено ядро соматической клетки отца — появится здоровый ребенок, копия отца. 

   Более скромная, но не менее важная задача клонирования — регуляция пола сельскохозяйственных животных, а также клонирование в них человеческих генов "терапевтических белков", которые используются для лечения людей, например гемофиликов, у которых мутировал ген, кодирующий белок, участвующий в процессе свертывания крови. Это тем более важно, поскольку гемофилики считаются "группой риска" по СПИДу. 

   Бум, связанный с рождением овечки Долли, это всего лишь эпизод развитии клонирования. Когда она подрастет и обзаведется своим потомством, в ее молоке будет и человеческий белок, отличающийся от овечьего. Она станет на службу человечеству. 

   Американские ученые несколько модифицировали метод шотландцев, использовав ядра эмбриональных (зародышевых) фибробластов — взятых у взрослого организма клеток. Это облегчило задачу введения "чужого" гена, поскольку в культуре фибробластов это делать значительно легче и дешевле.