Біологія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА

Біотехнології, генетична та клітинна інженерія

Біотехнологія — використання людиною організмів і біологічних процесів для виробництва необхідних речовин і конструювання нових організмів з використанням досягнень мікробіології, біохімії та технологій.

У біотехнології використовують бактерії, гриби, клітини різних тканин рослин і тварин.

Випікання хліба, виноробство, сироваріння, приготування пива і спирту — біотехнологічні процеси, що базуються на використанні мікроорганізмів.

Термін «біотехнологія» з’явився у 1970-х роках.

Основні напрями сучасної біотехнології

Виробництво лікарських препаратів (антибіотики, вакцини, високоспецифічні антитіла тощо).
Виробництво мікроорганізмами та еукаріотичними клітинами біологічно активних речовин (ферменти, вітаміни, гормональні препарати).
Виробництво цінних кормових продуктів (кормові добавки, кормові білки, незамінні амінокислоти).
Використання біологічних методів боротьби із забрудненням навколишнього середовища (біологічна очистка стічних вод, ґрунту, виробництво метану зі сміття тощо).
Біологічні методи захисту рослин від хвороб і шкідників.
Методи концентрації цінних елементів (Купруму, Мангану, Хрому тощо) за допомогою бактерій.

Генетична (генна) інженерія

Основними методами біотехнології є генетична (генна) і клітинна (тканинна) інженерія.

Генетична (генна) інженерія — це маніпуляції на рівні геномних ДНК, цілих хромосом або їх фрагментів з метою створення рекомбінантних ДНК. Можна проводити також і на рівні клітин.

Термін «генетична інженерія» доволі широкий, він вбирає в себе і поняття «генна інженерія», і відповідає поняттю «селекційна біотехнологія».

Генетична інженерія стала ефективним засобом аналізу структури та функцій гена. Сьогодні можна сконструювати будь-який мутантний чи рекомбінантний ген, ввести його в будь-який хромосомний локус організму і спостерігати ефект на рівні клітини чи організму.

Генна інженерія — маніпуляції на рівні окремих генів, їх комплексів і фрагментів. Завдяки їй людина може свідомо втручатись у закономірності функціонування генетичних структур клітини і спрямовувати їх у бажаному напрямку.

Методи генної інженерії дають можливість:

виділити певні гени з генотипів донорських клітин;
штучно синтезувати потрібний ген;
копіювати і розмножувати виділені чи штучно синтезовані гени;
одержати рекомбінантні молекули ДНК;
ввести природні чи штучні гени в геном реципієнтних клітин за допомогою молекул-векторів, якими є плазміди або інші елементи клітини.

Виділення генів можна здійснювати за допомогою ферментів рестрикцій — ендонуклеаз, які здатні розрізати нитки ДНК з певними нуклеотидними послідовностями, що розпізнаються відповідними ферментами рестриктазами.

Уперше з допомогою ферментів рестрикції ген лактозного оперона кишкової палички виділив Дж. Беквіт зі співробітниками 1969 року.

Виділити гени легко з порівняно невеликих геномів дрозофіли, дріжджів і важко — зі складних геномів еукаріотів.

Уперше штучно синтезував ген Г. Хорана (1969) — з гена аланінової іРНК дріжджів. Він містив лише інформаційну частину (без регуляторної) і тому працювати не міг. У 1976 р. учений синтезував ген, що складався зі структурної й регуляторних (промотора і термінатора) частин, увів його в бактеріальну клітину, де він працював як природний.

Оскільки штучно синтезувати можна лише невеликі за розміром гени прокаріотів, гени еукаріотів на практиці створюють ферментативним методом.

Ферментативний синтез генів відбувається за допомогою ферментів іРНК-залежних ДНК-полімераз. Скорочено їх називають зворотними транскриптазами, або ревертазами. Здійснюють ферментативний синтез гена у пробірці так:

на матриці іРНК за допомогою ферменту транскриптази (ревертази) синтезується комплементарна їй нитка ДНК;
синтезується двонитчаста молекула ДНК;
після цього фермент рибонуклеаза руйнує іРНК.

Одержану таким чином ДНК називають ДНК-копією (кДНК); вона не має інтронів.

Гени, синтезовані за допомогою ревертази, не мають регуляторної частини і можуть функціонувати лише в бактеріальних клітинах, у клітинах тварин такий ген не здатний працювати.

Ферментативним шляхом були синтезовані гени гемоглобіну в людини, кроля, голуба.

Клітинна (тканинна) інженерія

Клітинна інженерія — метод конструювання клітин нового типу на основі їх культивування, гібридизації та реконструкції. Базується на використанні культури клітин і тканин. Роботи з клітинної інженерії проводять у двох напрямах:

використання клітин, переведених у культуру in vitro для синтезу різних корисних людині сполук;
використання культивованих людиною клітин для отримання рослин-регенерантів.

У культурі in vitro проводять дослідження як з тваринними, так і з рослинними клітинами й тканинами.

Під час культивування соматичних клітин тварин in vitro було виявлено їх здатність зливатись між собою, що нагадує соматичну гібридизацію.

Шляхом гібридизації лімфоцитів (клітин, які синтезують антитіла, але повільно і недовго ростуть у культурі) з пухлинними клітинами, що мають потенції нескінченно тривалого й необмеженого росту на штучному живильному середовищі, створено клітини гібридоми, здатні синтезувати високоспецифічні антитіла певного типу.

На початку 1980-х рр. було створено гібридоми за участі клітин людини, які продукують специфічні антитіла проти різних інфекційних хвороб.

Здатність зливатись у культурі in vitro виявляють також клітини рослин. Для цього їх обробляють ферментами пектиназою та целюлазою, що спричиняє руйнування целюлозно-пектинових оболонок клітин. Такі клітини без целюлозно-пектинових оболонок називають пропластами. Протопласти обробляють поліетиленгліколем, який сприяє процесу їх злиття.

Шляхом клітинної інженерії створено гібриди томату і картоплі (помата), кавуна і гарбуза (кавбуз), яблуні й вишні.

Культури клітин і тканин поділяють на дві групи: селекційну, яку використовують для індукування мінливості й наступного добору (злиття клітин in vitro), і технологічну, метою якої є прискорення розмноження найцінніших, дефіцитних генотипів, оздоровлення існуючих сортів-клонів від вірусних хвороб.

Метод культивування апікальної верхівкової меристеми в культурі in vitro на поживних середовищах з метою отримання найцінніших, дефіцитних генотипів, безвірусного посадкового матеріалу є основним у вирощуванні саджанців винограду, бульб насіннєвої картоплі, суниці, квіткових рослин.

Зміст