Біологія. 9 клас. Козленко

Біотехнології. Генетична інженерія. Генотерапія

Запам’ятайте терміни: біотехнологія, генетична інженерія

Біотехнологія — прикладна галузь біології, що розробляє методи та промислові технології, в яких живі організми та/або біологічні процеси використовуються у промисловості, медицині та інших сферах діяльності людини.

Деякі організми та процеси використовувалися людиною у господарстві здавна. Зокрема, виробництво вина, пива, сирів, оцту, кисломолочних продуктів, випікання хліба неможливе без участі специфічних мікроорганізмів — бактерій, дріжджів та цвільових грибів. З цими напрямами харчової промисловості пов’язані історично перші освоєні людиною біопроцеси — різні форми ферментації (бродіння). До початку ХХ століття біотехнологія розвивалася у напрямку покращення вже існуючих та пошуку нових технологій ферментації.

У першій чверті ХХ століття А. Флемінгом було відкрито пеніцилін — перший антибіотик, добутий із цвільового гриба пеніцилу Penicillium notatum. На сьогоднішній день синтез антибіотиків різними мікроорганізмами — важлива галузь медичної біотехнології. У промисловій біотехнології ці організми, вдосконалені методами клітинної та генної інженерії, використовуються для отримання різноманітних хімічних сполук. Зокрема, це антибіотики нового покоління, що синтезуються не лише мікроскопічними грибами, але й деякими бактеріями.

Модифіковані штами мікроорганізмів виробляють оцтову, лимонну та інші органічні кислоти, вітаміни, ферменти тощо.

Мікроорганізми використовуються також нафтовій промисловості — у 1971 році було отримано штам бактерії, здатної споживати нафту і, як наслідок, ліквідовувати нафтові плями на поверхні Світового океану.

З часом стали з’являтися нові форми біотехнології. Стало можливим проводити маніпуляції з окремими клітинами та їх культурами, а також з геномами організмів та їх фрагментами.

Генетична інженерія

Генетична (генна) інженерія — комплекс методів отримання рекомбінантних нуклеїнових кислот, виділення, модифікації та перенесення окремих генів. Розвиток генної інженерії став можливий лише у другій половині ХХ ст., коли були розроблені методи, необхідні для реалізації її завдань.

Виділення генів здійснюється за допомогою спеціальних ферментів — рестриктаз. Вирізані за їхньою допомогою послідовності мають так звані «липкі кінці» — комплементарні однониткові фрагменти ДНК, здатні з’єднуватися з ДНК інших організмів.

Вирізані послідовності вбудовуються у вектор — кільцеву молекулу ДНК, що здійснює функцію перенесення гена у клітину-реципієнт. Вектори створюються на основі бактеріальних плазмід або фрагментів ДНК вірусів. Перенесений за допомогою вектора ген вбудовується у геном клітини-реципієнта. Таку форму перенесення генів застосовують переважно до бактерій та тварин. В генетичній інженерії рослин, поряд із застосуванням як вектора паразитичних бактерій, використовується бомбардування організму частками металу з нанесеною ДНК. Велика кількість таких часток збільшує шанси на вбудовування гена у потрібне місце.

Організми, що несуть штучно введені гени інших організмів, називаються трансгенними. У побуті часто використовується термін «генетично модифікований організм» (ГМО), однак він охоплює організми, піддані будь-яким змінам геному, що не обов’язково є наслідками генноінженерних процесів.

Створення трансгенних організмів полягає у перенесенні генів, що кодують певні продукти, у клітини інших організмів. Ці продукти можуть бути як цінними самі по собі, так і надавати організмам-реципієнтам корисних властивостей.

Одним із перших досягнень генетичної інженерії було перенесення генів, що кодують людський інсулін, у клітини бактерій. Це дало можливість отримувати велику кількість необхідного хворим на цукровий діабет білка і суттєво здешевити його виробництво.

Трансгенні тварини мають велике значення як для промисловості, так і для генетичних досліджень. Трансгенні миші широко використовуються для дослідження спадкових захворювань людини. На цих організмах здійснюють моделювання генетичних патологій людини шляхом введення і подальшої інактивації («нокауту») генів, мутації яких викликають захворювання. За допомогою трансгенних мишей вдалося створити моделі таких захворювань, як серповидноклітинна анемія, синдром Марфана, міопатія Дюшенна та ін.

Створено трансгенних свиней з рослинними генами, що замінюють насичені жирні кислоти у салі на ненасичені, знижуючи таким чином шкоду від вживання свинячого жиру для людини.

Низка експериментів присвячена введенням у клітини тварин гена медуз роду Aequorea, що кодує флуоресцентний білок. Завдяки цьому виведено тварин, що світяться у темряві. Така властивість корисна для вчених у дослідженнях певних біологічних процесів як під час ембріонального розвитку тварини, так і після народження. Флуоресценція клітин дає можливість спостерігати перебіг розвитку зародка, функціонування клітин органів, ріст пухлин тощо. Зокрема, завдяки цьому гену вчені вперше змогли побачити функціонування нейронів мозку. Японським дослідникам вдалося добитися передачі гена флуоресценції трьом поколінням нащадків трансгенних мавп.

Все більше застосування у сільському господарстві отримують трансгенні рослини. Завдяки генній інженерії виведено сорти рослин, стійких до шкідників, морозу, гербіцидів. Зручність культивування рослин робить їх важливими об’єктами для перенесення генів, що кодують цінні хімічні речовини. Перш за все це білки імунної системи організму — антитіла, інтерферони, інтерлейкіни. Зокрема у Польщі проводяться експерименти зі створення рослин салату з перенесеним геном, що кодує антитіла до вірусу гепатиту.

Мал. 33. Трансгенний «золотий рис» несе гени, що кодують синтез провітаміну А, тож споживання такого рису може задовольнити потребу людини у цьому вітаміні

Значення генетичної інженерії для медицини полягає у розвитку генотерапії — низки методів внесення генів у соматичні клітини людини. Такі методи можуть дати можливість лікування генетичних захворювань та корекції небажаних рис генотипу людини.

Використання трансгенних організмів викликає гострі дискусії у сучасному суспільстві (мал. 34).

Мал. 34. Антиреклама ГМО

Основними аргументами проти використання ГМО є:

• забруднення навколишнього середовища: вважається, що деякі трансгенні рослини можуть передавати внесені гени іншим рослинам, культурним або дикоростучим, що може призвести до непередбачуваних наслідків.
• недостатня кількість наукових даних щодо безпечності вживання продуктів ГМО. Під тиском даного аргументу уряди більшості країн прийняли рішення про обов’язкове маркування ГМО відповідними позначеннями.
• загроза витіснення звичайних сільськогосподарських рослин і тварин трансгенними і як наслідок можливість впливу на економіку держав з боку корпорацій, що володіють біотехнологіями.

Мал. 35. Маркування продуктів без ГМО в Україні

В той же час більшість подібних аргументів не підтверджується науково. Не відкидаючи ймовірності появи такого підтвердження у майбутньому слід, однак, зазначити, що досі не спостерігалося жодних достовірних негативних наслідків вживання продуктів ГМО. Позитивні наслідки очевидні — використання генетично модифікованих сортів рослин дозволяє збільшити врожаї та в перспективі подолати глобальну продовольчу кризу; тварин — уможливлює нові напрямки дослідження біологічних процесів, в тому числі і людських; бактерій — отримати велику кількість цінних продуктів.

Гемотерапія

Одним з напрямків, що набуває все більш широкого розвитку, є розробка методів генотерапії — лікування спадкових захворювань шляхом введення у геном певних послідовностей нуклеїнових кислот, що здатні виправляти «помилки» у структурі гена. Неподоланною перешкодою поки що залишається одна з фундаментальних рис спадковості — відтворення одного і того ж геному у всіх клітинах організму. Виправити помилки у мільйонах таких копій на сьогоднішній день неможливо. Тому важливою є своєчасна діагностика патологій, що дозволяла б втрутитися ще на стадії статевих клітин, що сформують майбутній зародок або на ранніх стадіях дроблення зиготи. Методи генотерапії є перспективними також щодо подолання ще однієї великої групи захворювань — онкологічних.

• 1. Порівняйте методи генетичної інженерії з методами класичної селекції. За допомогою яких можна отримати бажаний результат за менший проміжок часу та з меншими витратами?
• 2. Назвіть якомога більше продуктів біотехнологій та класифікуйте їх за способами використання людиною.

Обговоріть у групах

Чому серед багатоклітинних організмів (наприклад, ссавців) немає природного горизонтального перенесення генів? До яких наслідків це могло б призвести?