Генная Инженерия: достижения и проблемы

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Российский государственный  профессионально-педагогический

университет» в г. Советском

Кафедра профессионально-педагогического  образования

 

 

 

Реферат

по дисциплине

«Биология »

на тему:

«Генная Инженерия: достижения и проблемы»

 

 

 

 

 

                                                                                            Выполнил: студентка группы

                                                                                              Св – 111 СГПР Леднева Ю.В.                   

                                                                                              Проверил: Крюкова Н.С.

 

 

 

 

Советский 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………3

1.Генная инженерия………………………………………………………4

    1.1.Проблемы и  перспективы………………………………………….7

    1.2.Достижения  развития……………………………...........................9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………..12

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ  ИСТОЧНИКОВ …………………..13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

   В данном реферате рассматриваются основные характеристики, проблемы и перспективы такой новейшей технологии, как генная инженерия. В настоящее время эта тема весьма актуальна. На начало 21-го века в мире проживает около 5 млрд. человек. По прогнозам учёных к концу 21-го века население Земли может увеличиться до 10 миллиардов. Как прокормить такое количество людей качественной пищей, если и при 5 миллиардах в некоторых регионах население голодает? Впрочем, даже если бы такой проблемы не существовало, то человечество, для решения других своих проблем, стремилось бы внедрять в сельское хозяйство наиболее производительные биотехнологии. Одной из таких технологий как раз и является генная инженерия. 
Для написания реферата производился сбор материала, его обобщение и систематизация, что было весьма затруднительно, потому что в источниках существует много разногласий, много точек зрения. Так как генная инженерия большое развитие получила именно в наши дни, то еще очень мало выпущено книг, посвященных этой теме, и поэтому в работе использовались статьи, найденные в Internet.  
Генная инженерия -  направление исследований в молекулярной биологии и

генетике, конечной целью которых является получение с помощью  лабораторных приемов организмов с новыми, в том числе и не втречающи-мися 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 враспоряже-не 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.

 

 

 1.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.

 Составляющие методики.

  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.

 
  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.

  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.

  А, кроме того, так был обойден теломерасный (теломерас — бессмертие гена) запрет и смягчен запрет на клонирование (не распространяется на животных, отдельные органы и ткани, а клонирование людей отодвигается на 10 лет).

  Это сулит уникальные перспективы для человечества, несмотря на все высказанные политическими, религиозными, научными и общественными деятелями морально-этические и чисто биологические возражения по использованию клонирования.

  История развития ДНК.

  ДНК была открыта  Иоганном Фридрихом Мишером в  1869 году. Вначале новое вещество получило название нуклеин, а позже, когда Мишер определил, что это вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая кислота.  

 

  Биологическая функция новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком однообразным и не могло содержать закодированную информацию.

Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем  генетической информации. Одно из первых решающих доказательств принесли эксперименты О. Эвери, Колина Мак-Леода и Маклин Мак-Карти (1944 г.) по трансформации бактерий. Им удалось показать, что за так называемую трансформацию (приобретение болезнетворных свойств безвредной культурой в результате добавления в неё мёртвых болезнетворных бактерий) отвечают выделенные из пневмококков ДНК.                                                                                                               

 

  Эксперимент американских учёных Алфреда Херши и Марты  Чейз (Эксперимент Херши—Чейз, 1952 г.) с помеченными радиоактивными изотопами  белками и ДНК бактериофагов показали, что в заражённую клетку передаётся только нуклеиновая кислота фага, а новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую кислоту, как исходный фаг. 

Вплоть до 50-х  годов XX века точное строение ДНК, как  и способ передачи наследственной информации, оставалось неизвестным. Хотя и было доподлинно известно, что ДНК состоит из нескольких цепочек, состоящих из нуклеотидов, никто не знал точно, сколько этих цепочек и как они соединены. 

  Структура двойной  спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов.  

Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине 1962 г. Среди лауреатов  не было скончавшейся к тому времени  Розалинды Франклин, так как премия не присуждается посмертно. 

 

1.1.Проблемы и перспективы 
  Возможность воздействовать на гены позволяет устранять причины наследственных болезней, изменять свойства организмов в нужном направлении, пересаживать гены из одного организма в другой и привносить в него новые признаки. Например, уже создаются новые организмы, сочетающие в себе свойства животных и растений.  
Однако довольно сложно определить долговременные последствия генных манипуляций.  
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. 
В середине 1998 года английский ученый Арпад Пустаи на основании проведенных опытов впервые заявил о том, что употребление подопытными крысами генетически модифицированного картофеля привело к серьезным повреждениям их внутренних органов и иммунной системы. У животных возник целый набор серьезных изменений желудочно-кишечного тракта, печени, зоба, селезенки. Но самое зловещее - уменьшился объем мозга.  
Это заявление вызвало противоречивую реакцию научной общественности. С одной стороны, институт, в котором работал Пустаи, заявил, что результаты его исследований являются необъективными.  
  Однако независимая комиссия, созданная из 20 ученых из разных стран, признала, что выводы Пустаи правильны, а безвредность генетически модифицированных продуктов действительно подлежит существенной переоценке.  
  Дополнительным подтверждением того, что воздействие генетически измененных продуктов на организм человека и окружающую среду является мало изучено, стало заявление года ученого Джона Лузи.  
  Так, в мае 1999 года он сообщил о том, что пыльца генетически модифицированной пшеницы, изначально содержащая небольшую долю пестицидов, способна убивать личинок бабочки-данаиды.  
  В то же время некоторые ученые опять высказали мнение о том, что лабораторные исследования не могут смоделировать условия живой природы, поэтому на них нельзя полностью полагаться.  
В ноябре 1999 года для обсуждения результатов исследований Пустаи и Лузи была организована специальная научная конференция, однако ее участникам не удалось выработать общего подхода к этому вопросу.  
  При этом само существование подобных противоречий свидетельствует, что выведение генетически модифицированных видов растений и животных представляет определенную опасность, обусловленную непредсказуемостью их развития и поведения в естественной среде.  
  Риски, связанные с применением генной инженерии к продуктам питания, можно разделить на три категории: экологические, медицинские и социально -экономические. 

 

 

1.2.Достижения и перспективы развития

  Потребности здравоохранения, необходимость решения проблем старения населения формируют устойчивый спрос на генно-инженерные фармпрепараты и лечебно-косметические средства из растительного и животного сырья. Среди многих достижений генной инженерии, получивших применение в медицине, наиболее значительное – получение человеческого инсулина в промышленных масштабах.

  В настоящее время по данным ВОЗ в мире насчитывается около 110 млн. людей, страдающих диабетом. Инсулин, инъекции которого показаны больным этим заболеванием, уже давно получают из органов животных и используют в медицинской практике. Однако многолетнее применение животного инсулина ведет к необратимому поражению многих органов пациента из-за иммунологических реакций, вызываемых инъекцией чужеродного человеческому организму животного инсулина. Но даже потребности в животном инсулине до недавнего времени удовлетворялись всего на 60 – 70%. Генные инженеры в качестве первой практической задачи клонировали ген инсулина. Клонированные гены человеческого инсулина были введены с плазмидой в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали. Начиная с 1982 года фирмы США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин. В России получение генно-инженерного человеческого инсулина – Инсурана ведется в Институте биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН. Сегодня отечественный инсулин производится в объеме, достаточном для обеспечения больных диабетом г. Москвы. Вместе с тем, потребность всего российского рынка в генно-инженерном инсулине удовлетворяется, в основном, импортными поставками. Мировой рынок инсулина составляет в настоящее время более 400 млн. долларов, ежегодное потребление около 2500 кг.

  Развитие генной инженерии в 80-х годах прошлого столетия обеспечило хороший задел России в создании генно-инженерных штаммов микроорганизмов с заданными свойствами – продуцентов биологически активных веществ, в разработке генно-инженерных методов реконструирования генетического материала вирусов, в получении лекарственных субстанций, в том числе и с использованием компьютерного моделирования. До стадии производства доведены рекомбинантный интерферон и лекарственные формы на его основе медицинского и ветеринарного назначения, интерлейкин (b-лейкин), эритропоэтин. Несмотря на растущий спрос на высокоочищенные препараты, отечественное производство иммуноглобулинов, альбумина, плазмола обеспечивает 20% потребностей внутреннего рынка.

  Активно ведутся исследования по разработке вакцин для профилактики и лечения гепатитов, СПИДа и ряда других заболеваний, а также конъюгированных вакцин нового поколения против наиболее социально значимых инфекций. Полимер-субъединичные вакцины нового поколения состоят из высокоочищенных протективных антигенов различной природы и носителя – иммуностимулятора полиоксидония, обеспечивающего повышенный уровень специфического иммунного ответа. Прививки против подавляющего большинства известных инфекций Россия могла бы обеспечить на базе собственного иммунологического производства. Полностью отсутствует только производство вакцины против краснухи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

  В 70-е годы XX века создана техника выделения гена из ДНК, а также методика размножения нужного гена. В резуль-тате этого возникла генная инженерия. Внедрение в живой орга-низм чужеродной генетической информации и приемы, зас-тавляющие организм эту информацию реализовывать, состав-ляют одно из самых перспективных направлений в развитии биотехнологии. Методами генетической инженерии удалось получить интерферон и инсулин. Объектом биотехнологии вы-ступает сегодня не только отдельный ген, но и клетка в целом.

  Клеточная инженерия открывает широкие возможности практического использования биомассы культивируемых кле-ток и создания на их основе промышленных технологий, на-пример, для быстрого клонального микроразмножения и оздо-ровления растений.

  Применение методов клеточной инжене-рии позволяет существенно интенсифицировать процесс созда-ния новых форм организмов. Метод гибридизации соматичес-ких клеток -- новый метод, дающий возможность получать меж-видовые гибриды, т.е. преодолевать естественный барьер меж-видовой нескрещиваемости, чего нельзя было достичь тради-ционными методами селекции. Для этого в искусственно со-зданных условиях выделяют и сливают протопласты - клетки, лишенные стенок, -- обоих родительских растений и получают гибридные клетки, которые могут затем регенерировать целое гибридное растение с признаками обоих родителей. Это позво-ляет получать совершенно новые организмы, не существовав-шие в природе. Но при этом возникает опасность, что искус-ственно созданные организмы могут вызвать непредсказуемые и необратимые последствия для всего живого на Земле, в том числе, и для человека.

  Генная и клеточная инженерия обратили внимание челове-чества на необходимость общественного контроля за всем, что происходит в науке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

1.Бейсон Ж. Генетика. -М.: Просвещение, 2007.

2.Гайсинович А.Е. Зарождение генетики. -М.: Наука, 2007.

3.Дубинин Н.П. Генетика вчера, сегодня и завтра. -М.: Наука, 2008.

4Патрушев Л. И. Искусственные генетические системы. - М.: Наука, 2004.

  6.Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия. – Новосибирск, 2006.

7.Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия.-Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2008.