Генная инженерия

ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ СЛАЙД 1. Генная инженерия – совокупность приемов, методов и технологий, позволяющих искусственно переносить генетическую информацию из одного организма в другой с помощью специально созданных генетических конструкций. Принципиальная особенность генной инженерии – способность создавать структуры ДНК, которые никогда не образуются в живой природе, Генная инженерия преодолела барьер, существующий в живом мире, где генетический обмен осуществляется только в пределах одного вида или близкородственных видов организмов. Она позволяет переносить гены из одного живого организма в любой другой. Эта новая технология открыла безграничные перспективы создания микроорганизмов, растений и животных с новыми полезными свойствами. Появление генной инженерии стало возможным благодаря фундаментальным открытиям в генетике и молекулярной биологии. В 60-е годы 20 века ученые расшифровали генетический код, т.е. установили, что каждая аминокислота в белке кодируется триплетом нуклеотидов в ДНК. Особенно важно, что генетический код универсален для всего живого мира. Если передать в какую-либо клетку «чужеродную» ДНК, то информация, в ней закодированная, будет правильно воспринята клеткой реципиентом. СЛАЙД 2. Формальной датой рождения генной инженерии считают 1972 год, когда группа американских исследователей под руководством Поля Берга создала первую гибридную (рекомбинантную) молекулу ДНК, объединившую в своем составе генетический материал из трех источников: вируса обезьян, бактериофага и кишечной палочки. Сконструированная рекомбинантная молекула не была исследована на функциональную активность, поскольку у авторов работы возникли опасения, что методы генной инженерии могут привести к появлению микроорганизмов, опасных для здоровья человека, например, кишечной палочки, способной перенести онкогенные вирусы животных в кишечник человека. Функционально активные молекулы ДНК были впервые получены в 1973-1974 годах американскими учеными С. Коэном, Д. Хелинским и Г. Бойером. В разработке и применении технологий, связанных с рекомбинантными ДНК, в США наиболее успешными являются 4 фирмы: «Цетус», «Генекс», «Генентек», «Биоген». «Цетус» - старейшая фирма (с 1971 г.), «Генентек» – с 1976 г. (капитал 1 млн долл., а к 1980 – 500 млн долл), в этой фирме работают 30 докторов наук. Началом промышленной генной инженерии принято считать 1980 год, когда в США был выдан первый патент на генно-инженерный штамм микроорганизма, способного разлагать нефть. Первая генно-инженерная 2 продукция была получена в 1982 году в Японии – человеческий инсулин, продуцируемый бактерией, был разрешен для клинического использования. СЛАЙД 3. Типовая генно-инженерная технология состоит из следующих этапов: 1. Получение генетического материала (фрагментов ДНК – генов); 2. Конструирование гибридных (рекомбинантных) молекул ДНК, состоящих из фрагментов, полученных на первом этапе, и введение их в вектор (плазмиду, фаг, вирус); 3. Внесение с помощью вектора гибридной ДНК, содержащей интересующие исследователей гены, в клетку – реципиент; 4. Включение введенных генов в генетический аппарат клетки; 5. Закрепление их в ней; 6. Отбор клонов, несущих нужную рекомбинантную молекулу. Гены для этих манипуляций могут быть получены различными способами:  Химический синтез индивидуального гена, который впервые был осуществлен в 1968-1971 годах в группе, работающей в США под руководством индийского химика Г.Кораны. Процесс синтеза генов в настоящее время разработан достаточно хорошо и даже в значительной степени автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабженные ЭВМ, в памяти которых закладывают программы синтеза различных нуклеотидных последовательностей. Такой аппарат синтезирует отрезки ДНК до 100-120 азотистых оснований (олигонуклеотиды).  Выделение гена из ДНК донорской клетки. Для получения нужного генетического материала, прежде всего, необходимо определить, где находится нужный ген на молекуле ДНК, т.е. осуществить картирование генома. Далее проводят выделение гена и получение гибридной (рекомбинантной) молекулы ДНК. Известно, что процесс рекомбинации (соединения) в организме (in vivo) возможен в большинстве случаев между гомологичными участками молекул ДНК. Однако оказалось, что вне организма (in vitro) взаимодействие (гибридизация) молекул ДНК возможно, если они будут иметь небольшие комплементарные односпиральные участки из четырех и более нуклеотидов на концах молекул. Такие последовательности называются липкими концами, т.к. две молекулы ДНК могут соединиться (слипнуться) этими концами. Таким образом, если поместить в пробирку самые разные молекулы ДНК с одинаковыми липкими концами, то будет происходить рекомбинация, даже если вся их структура очень различается. Как же получить гетерогенные молекулы ДНК с одинаковыми липкими концами? Для этого используются специальные ферменты – 3 рестрикционные эндонуклеазы, или рестриктазы, способные узнавать и расщеплять молекулы ДНК так, что у них образуются одинаковые липкие концы. За открытие рестриктаз Вернер Арбер, Даниел Натанс и Хамилтон Смит были удостоены Нобелевской премии. СЛАЙД 4. Механизм их действия следующий: например, одна из рестриктаз специфична по отношению к последовательности шести нуклеотидных остатков в двойной спирали следующего типа: ↓ ...–Г-А–А–Т–Т–Ц-... │ │ │ │ │ │ ...–Ц–Т–Т–А–А-Г-... ↑ Эта рестриктаза расщепляет каждую цепь между остатками А (аденина) и Г (гуанина) по связям, отмеченным стрелками. В результате образуется два фрагмента: ...–Г │ ...–Ц–Т–Т–А–А + А–А–Т–Т–Ц-... │ Г-... Каждый фрагмент содержит короткую одноцепочечную последовательность – липкий конец – они комплементарны и, следовательно, имеют тенденцию к связыванию друг с другом за счет водородных связей между парными основаниями. Реализация этой тенденции зависит от экспериментатора, который посредством изменения рН или температуры может добиваться образования связей или их разрушения. СЛАЙД 5. Под действием рестриктаз могут образовываться и фрагменты, имеющие на своих концах структуры, не способные соединяться друг с другом, - так называемые тупые концы. Например, другая рестриктаза расщепляет специфическую последовательность нуклеотидных остатков следующим образом: ↓ ...–Г-Т–Т–А–А–Ц-... │ │ │ │ │ │ . . .– Ц – А – А – Т – Т – Г - . . . ↑ При этом образуются только двухцепочечные фрагменты: 4 ...–Г–Т–Т │ │ │ . . .– Ц – А – А А–А–Ц-... │ │ │ Т–Т–Г-... Соединение фрагментов, не имеющих липких концов, в единое целое осуществляется под действием ферментов второй группы – ДНК - лигаз, впервые описанных в 1967 г. При комбинации различных рестиктаз и лигаз можно практически в любом месте разрезать ДНК и сшить ее. СЛАЙД 6. Большое значение имеет разработка способов внедрения гена в реципиентную клетку. В большинстве генно-инженерных технологий инструментом для переноса чужеродной генетической информации служат векторы – молекулы ДНК, способные переносить в клетку чужеродную ДНК и обеспечивать там ее размножение или (реже) включение в геном. Векторные молекулы должны обеспечивать не только эффективный перенос, но и стабильное наследование гибридных молекул. Векторные молекулы - плазмиды, а также вирусы (бактериофаги). Лучше всего разработана система вектор – хозяин для бактерий E.coli. Плазмиды вводят в клетку – реципиент посредством трансформации. Генетически трансформированные клетки называются трансформантами. Эффективность трансформации довольно низкая: В ней участвуют приблизительно одна из 1000-10000 молекул ДНК. Физиологическое состояние клетки, в котором она способна поглощать нуклеиновую кислоту из окружающей среды, называется компентентностью. Однако многие бактерии, а также дрожжи и клетки животных и растений такой физиологической компетентностью не обладают. Поэтому восприимчивость к экзогенной ДНК у них индуцируют различными способами. Такую компетентность называют индуцированной. Фаговые векторы переносят фрагменты ДНК в бактериальную реципиентную клетку посредством трансдукции. При этом методе инфекционной становиться каждая десятая молекула ДНК. Векторы – вирусы используются для внесения рекомбинантной ДНК в клетки растений и животных. При этом используемые в качестве векторов бактериофаги и вирусы не должны вызывать инфекционный процесс в реципиентной клетке, т.е. должны быть «умеренными». СЛАЙД 7. В последние годы в генно-инженерной технологии все чаще используют безвекторное введение рекомбинантных молекул ДНК. Бактериальные и растительные клетки предварительно освобождают от клеточной стенки, обрабатывая ферментными препаратами. В этом случае клетки приобретают шарообразную форму и называются протопластами. 5 Методы введения рекомбинантной ДНК через плазматическую мембрану клеток могут быть различными:  Электропорация – кратковременное воздействие (5-15 мсек) электрического поля с высокой напряженностью (1-15 кВ/см), что приводит к образованию в мембране пор (электропробой). При этом молекулы ДНК входят в клетку в результате действия осмотических сил. В подобранных экспериментально оптимальных условиях количество трансформантов может достигать 80%;  Трансфекция – введение в клетку ДНК, адсорбированной на мельчайших кристаллах карбоната кальция;  Микроинъекция – введение молекул ДНК через мембрану с помощью микропипетки диаметром 0,1-0,5 мк или прокалывание клеток путем их встряхивания в суспензии микроигл;  Упаковка в липосомы – внесение ДНК в фосфолипидные пузырьки (липосомы), которые благодаря химическому родству сливаются с клеточной мембраной;  Электронная пушка – бомбардировка клеток препаратами ДНК, напыленными на атомы тяжелых металлов (золота, вольфрама). Бомбардировка осуществляется благодаря повышению и резкому уменьшению давления в суспензии клеток. В момент сбрасывания давления частицы входят в клетку. Информация, определяемая встроенным геном, дает способность клетке синтезировать новые для нее вещества. Клетки, обладающие нужными свойствами, можно выделить из общей массы традиционными методами искусственного отбора. Методы отбора рекомбинантных клонов основываются либо на изменении фенотипа клетки под влиянием вновь синтезируемого белка, либо просто на свойствах самого белка. Отбор гибридных клонов значительно упрощается, если в векторной молекуле предусмотрена специальная фенотипическая система селекции. При трансформации клеток чаще всего используют векторные молекулы ДНК, несущие гены устойчивости к антибиотикам. Поэтому на среде с этим антибиотиком будут расти только клетки трансформантов. В последние годы получен ряд векторных плазмид, предназначенных для прямой селекции трансформантов. Такие векторы имеют маркеры, легко выявляемые по окраске на специальных селективных средах. СЛАЙД 8. На современном этапе технологически возможно три направления введения генов: - в прокариотические клетки бактерий; - в эукариотические клетки растений, животных и человека; - в зародышевые клетки. 6 Основным объектом исследования долгое время были прокариоты (бактерии). Работами по встраиванию генов эукариотических организмов в клетки бактерий занимались многие научные центры за рубежом и в нашей стране. Были созданы штаммы бактерий, которые могут успешно работать с встроенным фрагментом ДНК, полученными из растений, животных, человека или синтезированный химическим способом. При этом бактерия приобретает способность синтезировать те белки, которые специфичны для высших растений, животных и человека. Этим способом можно получить чрезвычайно важные в практическом отношении белки. Работы с высшими эукариотами стали приносить успех после обнаружения подвижных генетических элементов у эукариотических клеток. В начале 70-х годов были открыты и изучены подвижные гены у дрозофилы и других организмов. Эти исследования были проведены в нашей стране сотрудниками Института молекулярной генетики АН СССР, а также в США. За цикл работ по исследованию мобильных генов животных в 1983 г. была присуждена Государственная премия СССР. СЛАЙД 9. Применение генной инженерии Наибольшее распространение генная инженерия получила в таких важных областях, как медицина, сельское хозяйство, промышленность и экология. СЛАЙД 10. МЕДИЦИНА. Генная инженерия сегодня применяется во всех направлениях медицины – диагностике, профилактике и лечении заболеваний человека. Диагностика. К числу важных практических достижений генной инженерии необходимо отнести получение более 200 новых диагностических средств, введенных в медицинскую практику (разработаны способы диагностики такого опасного заболевания, как СПИД). Широко применяются методы генной диагностики, т.е. выявление дефектных генов, включая пренатальную (внутриутробную) диагностику. Профилактика. Сейчас наряду с традиционными вакцинами получают новые эффективные вакцины методом генной инженерии. Например, получают ДНК-вакцины: ген, кодирующий продукцию иммуногенного белка патогенного микроорганизма, встраивают в бактериальную плазмиду, вводят в культуру бактерий, чтобы получить большое количество копий, очищают и используют для вакцинации. В медицине используют и комбинированные генно-инженерные вакцины. Например, в нашей стране осуществлено выделение гена, кодирующего вирусный белок гепатита, его пришивают к ДНК вируса оспы, в результате ослабленная культура осповакцины вызывает иммунитет и против гепатита. 7 Создаются растительные вакцины на основе свеклы, томатов, огурцов, которые защищают от туберкулеза, гепатита и других инфекционных заболеваний. В США на добровольцах испытали вакцину, полученную из генно-модифицированного картофеля. Она повышает иммунитет к заболеваниям желудочно-кишечного тракта и холере. Терапия. Большие перспективы связаны с исследованиями по использованию генной инженерии в терапии наследственных заболеваний (генотерапии). Из 10 тысяч известных заболеваний человека около 30-40% составляют т.н. генетические. Многие из этих патологий связаны с нарушением работы одного единственного гена. Генная терапия применима, в первую очередь, именно к такого рода заболеваниям. С помощью генотерапии в организм, страдающий нарушением работы гена, можно доставить нормальный ген, способный компенсировать недостающую функцию. Иногда болезнь вызывается избыточной работой отдельных генов, не свойственных нормальной клетке. В таких случаях подавляют работу «вредных» генов. Отдельные обнадеживающие результаты уже получены - идентифицирована природа некоторых распространенных наследственных заболеваний, например, серповидноклеточной анемии, связанной со структурными изменениями в гене глобина человека. В США и Великобритании были проведены испытания на пациентах с дефектом гена, который кодирует белок, необходимый для нормальной работы сетчатки глаза. Для борьбы с опухолью вводят сконструированный методом генной инженерии ген, кодирующий мощный противоопухолевый фермент (эти работы еще не вышли за рамки экспериментальной стадии). При всех положительных результатах генная терапия все еще остается малоэффективной. Не решены такие ключевые проблемы, как целевая доставка генов, длительное и эффективное их функционирование в пораженных тканях. Одно из наиболее важных направлений генной инженерии – производство лекарств нового поколения, представляющих собой биологически активные белки человека. Следует напомнить, что в большинстве случаев белки человека (как и других животных) видоспецифичны, т.е. для лечения человека можно использовать только белки человека. Вследствие этого возникает проблема получения человеческих белков в нужных количествах. Интересна история получения интерферонов – белковых веществ, делающих клетки устойчивыми к вирусной инфекции, в связи с чем они могут быть использованы в качестве противовирусных лекарств. Длительное время единственным препятствием к их широкому применению в медицинской практике была их малая доступность. Они 8 синтезируются в очень малых количествах: источником их получения была или донорская кровь, или культура клеток человека. Эти источники не позволяли получать интерфероны в количествах, нужных медицине. В 1980-1985-х годах в нескольких лабораториях мира, в том числе и в нашей стране, были выделены гены человека, определяющие синтез интерферонов, и введены в бактерии. Такие бактерии стали способны синтезировать человеческий интерферон. Они быстро растут, используют дешевую питательную среду и синтезируют большое количество белка. Из 1 литра бактериальной культуры можно выделить столько человеческого интерферона, сколько из 10 000 л донорской крови. Полученный белок абсолютно идентичен интерферону, синтезируемому в организме человека. Сегодня это почти единственный препарат, который эффективен против вирусных гепатитов, как в острой, так и в хронических формах, против герпеса, простудных заболеваний, некоторых видов рака. Из других препаратов рекомбинантных белков человека, получивших широкое медицинской применение, следует назвать инсулин. По данным ВОЗ в мире насчитывается 110 млн больных диабетом. С 1926 года для лечения людей при инсулиновом сахарном диабете променяли свиной инсулин, отличающийся от человеческого всего одной аминокислотой. Однако многолетнее применение животного инсулина ведет к необратимому поражению многих органов из-за иммунологических реакций чужеродного человеческому организму белка. Генная инженерия открыла новые возможности для эффективного лечения данного заболевания. Ген, ответственный за синтез инсулина, был перенесен в бактериальную клетку, которая является дешевым и эффективным источником этого лекарственного препарата. Для получения 1 кг инсулина необходимо 35 тыс. голов свиней, из поджелудочной железы которых его выделяют, или одно культивирование бактерий E.coli в ферментере объемом 25 м3. США, Япония, Великобритания с 1982 г. производят генноинженерный инсулин. Мировой рынок составляет 400 млн. $, ежегодное потребление – 2,5 т. В России это лекарство (инсуран) получают в институте биоорганической химии им. М.М. Шемякина. Широкое медицинское применение получили препараты видоспецифического для человека и животных гормона роста. Он применяется с 1980 г. не только для борьбы с карликовостью, но и используется как стимулятор заживления ран, для сращивания костей. Гормоны роста животных начали использовать в сельском хозяйстве для увеличения удоя коров, ускорения роста рыб. Методами генной инженерии в настоящее время создаются уникальные лекарства. Например, компания Biogen создала единственное лекарство 9 против рассеянного склероза – Avonex. Лицензии на его производство приносят этой фирме в год более 1 млрд $. В настоящее время более 20% фармацевтического рынка лекарств составляют лекарства, полученные с использованием генной инженерии. СЛАЙД 11. СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО. Применение генной инженерии в сельском хозяйстве связано с получением и использованием генно-модифицированных растений и животных. Применение генной инженерии к сельскохозяйственным растениям и животным находятся на самой начальной стадии, но имеет большие перспективы. При традиционном скрещивании наряду с нужными генами потомству передаются и нежелательные, которые сложно удалить. Введение одного или несколько нужных генов дает возможность генетического решения проблемы получения нужных растений и животных. Исследования по рекомбинации растений и животных труднее, чем исследования с бактериями, т.к. их структура растений во много раз сложнее. Свойства высших организмов зависят от многих генов, расположенных в различных участках генома, а методы генной инженерии пока позволяют работать с одним или немногими генами. Лучшие результаты получены в том случае, когда перенос одного гена может привести к появлению у растения или животного полезного свойства. В области растениеводства методы генной инженерии позволяют добиваться улучшения сельскохозяйственной продукции путем создания так называемых трансгенных растений. Перенос генов в растения начали осуществлять в 1981 г., в настоящее время это направление интенсивно развивается. По прогнозам специалистов, к 2050 году население Земли возрастет до 10 млрд человек (сейчас - 9 млрд) и для обеспечения его потребностей в продукции сельского хозяйства нужно будет увеличивать объемы производства на 75%. Это невозможно, в связи с чем только применение трансгенных растений сможет решить проблему голода. По прогнозу Организации экономического содружества к 2030 г. около половины сельскохозяйственной продукции в мире будет создаваться с применением биотехнологии, в частности, генной инженерии. Основная масса трансгенов культивируется в США, Канаде, Аргентине, Китае. В наибольших объемах выращивается 4 вида: соя (25%), кукуруза (30%), хлопчатник (13%) и рапс (5%). Сегодня выпускается 30 ГМ-культур, которые используется в 57 странах мира. СЛАЙД 12. Признаки, которые можно придать с помощью генной инженерии, весьма разнообразны. Условно их можно разделить на три группы: 10 1. Признаки, выгодные производителям – устойчивость к различным факторам окружающей среды – гербицидам, болезням, вредителям, засухе, низкой или высокой температуре, засолению, улучшение минерального питания, повышение укореняемости, высокую эффективность фотосинтеза, азотфиксацию. 2. Признаки, представляющие интерес для потребителей – модификация вкуса и аромата плодов, увеличение продолжительности их хранения, изменение окраски цветков, улучшение питательной ценности. 3. Растения – биофабрики, способные синтезировать вакцины, ферменты, незаменимые аминокислоты, биополимеры и другие полезные вещества. Примеры таких разработок:  Выведены сорта томатов, дыни и бананов, которые могут храниться месяцами без потери вкусовых свойств;  Получены «кубические» арбузы и помидоры, более удобные для укладки в ящики и транспортировки;  Выведены сорта картофеля, устойчивые к колорадскому жуку, при жарке впитывающие меньше жира, получен сорт картофеля с полным набором белков человеческого материнского молока, с человеческим интерфероном крови;  Получен банан с содержанием анальгина;  Идут работы по созданию биоразлагаемой пластмассы в масличных культурах, которая может использоваться вместо полиэтилена, получаемого из нефти;  В США получен и испытывается сорт хлопчатника с уже окрашенным в голубой цвет волокном;  Созданы растения, поглощающие цинк, кобальт, кадмий, никель и другие металлы из загрязненной почвы;  В Израиле создан сорт табака, продуцирующий человеческий белок коллаген;  По заказу ООН ученые создали сорт риса для борьбы с дистрофией, которой страдают 250 млн. людей в странах Азии и Африки. Растение – результат 60 патентов - растет рекордными темпами и синтезирует витамин А. Засеяв 1 зерно, через 2 года можно накормить половину населения Таиланда. Сорт называют «золотой рис».  Американская биотехнологическая компания Bioglow представила первое в мире светящееся растение. Создателем «живого светильника» стал микробиолог Александр Кричевский. Ему удалось «заставить» растение светиться, добавив в его геном ДНК люминесцентных морских бактерий. 11  Сегодня ученые работают над созданием растений, которые начинают светиться, когда им не хватает воды или при первых признаках заболевания; Использование ГМ-культур: - сокращает расход топлива, энергоносителей, что уменьшает выбросы СО2 в атмосферу на 17,7 млн т/год (это равноценно удалению с дорог 7,8 млн автомобилей в год); - сокращает применение пестицидов на 8,7%, гербицидов и инсектицидов на 17,1%; - сокращает площади посевов с/х культур. Например, в 2009 г. уменьшение составило 3,8 млн га сои, 5,6 млн га кукурузы, 2,6 млн га хлопчатника, 0,3 млн га рапса (эквивалентно 7% пахотных земель США, 24% - Бразилии). Общая площадь засева ГМ-растений в мире – 160 млн га (2012 г.), среднегодовой прирост – 12 млн га. Лидер производства ГМ-культур США (69 млн га), среди развивающихся стран – Бразилия (4,9 млн га). На Российском рынке ГМ продукты появились в 90-е годы. В нашей стране закон о генной инженерии был принят в 1996 г. Согласно ему, прежде чем пустить трансгенные продукты в продажу импортеры должны получить сертификат НИИ питания РАМН. После этого им выдается разрешение департамента государственного сан.-эпид. надзора Минздрава РФ на торговлю ГМ-продукцией. В России выращивание ГМ культур официально запрещено, но импорт разрешен. В настоящее время в РФ разрешены 16 линий ГМ-культур (6 кукурузы, 3 сои, 3 картофеля, 2 риса и 2 свеклы) и 5 видов микроорганизмов. С 2005 г. действует «Дополнение» к закону о защите прав потребителей об обязательной маркеровке ГМкомпонентов. СЛАЙД 13. В животноводстве с помощью генной инженерии получают эффективные кормовые добавки, гормоны роста животных бактериального происхождения используют для увеличения удоя коров, ускорения роста рыб, изменения их цвета и т.д. Примеры разработок: - японские ученые в своих экспериментах с генами вывели новый вид крыс, которые чирикают, как птицы. - трансгенная мышь способна много часов бежать со скоростью 20 метров в минуту, не уставая. Живет она дольше, ест больше, но не толстеет. - в США выведен генетически модифицированный атлантический лосось, который растет в два раза быстрее обычного, достигая продажной рыночной массы за полтора года вместо трех. 12 создана гигантская корова, которая втрое больше своих собратьев. Порода коровы так и называется «бельгийская голубая». Она способна давать очень много молока. В Китае выведены генетически модифицированные коровы, дающие «грудное» молоко! Существует быстро развивающаяся область, связанная с созданием трансгенных животных – продуцентов биологически активных белков. Полученные кролики, свиньи, овцы, в геном которых интегрированы чужеродные белки. В высших организмах конкретные гены кодируют производство белков в определенных тканях. Хотя все гены содержатся в одной клетке, в специализированных клетках работают только некоторые из них, этим и определяется тканевая специфичность. Примером может служить производство белков молока (казеин, лактальбумин) в молочных железах. Существует возможность подставить нужный нам ген и получить чужеродный белок в составе молока. Важно при этом, что животное чувствует себя нормально, т.к. чужой ген работает только в процессе лактации. В мире уже существуют сотни трансгенных овец и коз, продуцирующих в молоке от десятков мг до нескольких грамм биологически активных белков человека в 1 литре молока. Такой метод производства экономически выгоден и экологически чище, хотя и требует от ученых больших усилий и времени. С молоком трансгенных животных можно получать не только лекарства. В настоящее время созданы трансгенные овцы, которые синтезируют ферменты химозин и ренин в молоке. Небольшое стадо овец находится в Москве на Воробьевых горах. Эти овцы синтезируют в молоке до 300 мг/л фермента. Для процесса сыроварения белок можно не выделять, а использовать просто в составе молока. СЛАЙД 14. ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. Возможна экспансия биотехнологии в области, которые сегодня целиком принадлежат химии. Это – биокатализ (вместо химического катализа) и новые материалы. Один из процессов катализа, успешно реализованного в промышленности – получение акриламида из акрилонитрила: СН2 = СН – СN → CH2 = CH – C = O │ NH2 Акриламид служит исходным материалом для получения полимеров и сополимеров, широко используемых при очистке воды и стоков, в горном деле, при осветлении соков и вин, приготовлении красок и т.д. 13 До недавнего времени процесс гидролиза нитрила вели при температуре 105о в присутствии серной кислоты. После окончания процесса серную кислоту нейтрализовали аммиаком. Большое количество сернокислого аммония, в конечном счете, оказывалось в реках. Были велики затраты энергии, быстро изнашивалось оборудование, и качество акриламида оставляло желать лучшего. Отечественные ученые нашли микроорганизмы, которые могли превращать акрилонитрил в акриламид. На нескольких заводах в настоящее время налажен выпуск биокаталитического акриламида, причем процесс осуществляется при нормальном давлении и комнатной температуре, следовательно, мало энергоемок. Технология практически не имеет отходов, экологически чиста. Получаемый акриламид имеет высокую чистоту, что важно, т.к. большая часть его далее полимеризуется в полиакриламид, а качество полимера сильно зависит от чистоты мономера. Методами генной инженерии могут быть получены новые биоматериалы. Например, ученые давно обратили внимание на очень ценные механические свойства материала, из которого пауки плетут сети. Паутинка примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса, этот материал мягче хлопка, прочнее стали, обладает уникальной эластичностью, практически не меняет свойств при изменении температуры, материал идеально подходит для многих практических целей: парашютного корда, бронежилетов и т.д. Ученые выделили гены, ответственные за синтез белков паутины, и перенесли их в микроорганизмы. В 1995 году появилось сообщение американских исследователей, что в микроорганизмах действительно синтезируется нужный белок. Таким образом, открывается путь к промышленному микробиологическому синтезу нового материала. Компания Nexia выделила ген, кодирующий белок паутины пауков из Южной Америки. Канат из нее толщиной со спичку выдерживает груз до 10 т. Материал, названный «биосталь», закупается для армии и спорта. Нужно отметить, что бактерии синтезируют не нити, а аморфный белок, так же, как и пауки. Нить образуется, когда паук выдавливает белок из сопла своих желез. Технически несложно имитировать этот процесс, продавливая этот белок через очень тонкие отверстия. В США (штат Индиана) выращивают тутовых шелкопрядов, которые прядут «паучий шелк». Генная инженерия видоизменила структуру и содержание современной промышленной микробиологии. Во-первых, существенно повысилась продуктивность промышленных микроорганизмов – продуцентов классических продуктов путем введения дополнительных генов, увеличивая их количество или активность (яркий пример – генетические 14 манипулирование в сочетании с изменением условий окружающей среды привели к 20 000-кратному сверхсинтезу рибофлавина (витамина В2) и 50 000-кратному сверхсинтезу цианкобаламина (витамина В12). Во-вторых, вводя в микробную клетку новые гены, удалось изменить питательные потребности микроорганизмов. Полученные генноинженерным путем бактерии начали синтезировать несвойственные им ранее вещества и таким образом увеличили разнообразие биотехнологической продукции. Наконец, подверглась пересмотру вся логика селекции микроорганизмов – продуцентов. Так, если раньше сначала искали активный бактериальный штамм, а затем создавали конкретную биотехнологию с учетом физиологических свойств и питательных потребностей продуцента, то теперь можно взять приспособленный к условиям производства штамм и ввести в него генную конструкцию, которая обеспечит эффективный синтез целевого продукта. Большое значение имеют генно-инженерные разработки в области биоэнергетики - использование биоэтанола, биогаза и других видов биотоплива, получаемых из возобновляемого сырья и отходов. В феврале 2012 г. в Белгородской области впервые в РФ введена биогазовая установка по производству электроэнергии из с/х отходов. В апреле 2012 г. самолет Боинг-787 совершил первый в мире перелет через Тихий океан на биотопливе. Группа ученых из Лос-Анджелеса создала штамм, способный преобразовывать СО2 в изобутанол и 3-метилбутанол, используемые в качестве автомобильного топлива (альтернатива биоэтанолу и биогазу), для обогрева домов, приготовления пищи. ЭКОЛОГИЯ. Методы генной инженерии используется, например, для разработки штаммов – деструкторов, способных осуществлять очистку сточных вод и почвы от трудно разлагаемых в природе загрязнений (ксенобиотиков), массивных скоплений нефтепродуктов. Например, компанией «Дженерал электрик» был получен микроорганизм, в котором были гены 4-х различных штаммов, ассимилирующие углеводороды нефти. Он в 7 раз быстрее разлагает сырую нефть, чем известные микроорганизмы. Штамм используется для очистки поверхности моря от нефтяных загрязнений. Приведенные примеры далеко не охватывают всех практических аспектов применения генной инженерии. Постоянно появляются новые лекарства, высокопродуктивные растения, высокопроизводительные животные, новые пищевые продукты. Однако существует целый ряд специфических проблем, связанных с развитием современных направлений развития генной инженерии. 15 СЛАЙД 15. Научные факты опасности генной инженерии - в настоящее время генная инженерия технически несовершенна, т.к. она не в состоянии управлять процессом встраивания гена. Поэтому невозможно точно предвидеть место встраивания и эффекты добавленного гена. Имеющиеся сведения о ДНК неполны. Известно о функции лишь 3% ДНК. Это может вызвать серьезные непредсказуемые проблемы; - введение чужеродных генов нарушает точно отрегулированный генетический контроль нормальной клетки; - знания о действии на окружающую среду ГМ-организмов недостаточны. Имеется много возможностей для неконтролируемого распространения потенциально опасных генов, в том числе передача генов бактериям и вирусам; - при встраивании генов могут образоваться опасные вещества (токсины, аллергены); - не существует совершенно надежных методов проверки на безвредность; - можно получить культуры с непредсказуемой наследственностью, в том числе патогенные формы кишечной палочки E.coli. Этот излюбленный объект генетических исследований приспособлен к обитанию в желудочнокишечном тракте человека, что усиливает риск. Эксперименты с рекомбинантными ДНК вирусов и бактерий могут привести к получению новых организмов, по отношению к которым у человека, животного, растений не существует никаких защитных природных систем. - могут возникнуть новые опасные вирусы. Встроенные в геном вирусов гены могут соединиться с генами инфекционных вирусов. Такие новые вирусы могут быть более агрессивными, чем исходные. Вирусы растений могут стать вредными для полезных насекомых, животных, а также людей; - можно, наконец, создать бактериологическое оружие, причем контроль над проведением этих экспериментов осуществлять трудно. Поэтому вопрос о моральной ответственности ученого за методы и результаты своих исследований, о целесообразности ограничить научные исследования из-за этических соображений в новейшей биотехнологии стоит особенно остро. На первых этапах развития генной инженерии некоторые видные специалисты даже приняли решение не заниматься работами в этой области. В ряде стран были законодательно утверждены строгие правила проведения генно-инженерных работ. Однако после 1980г. ученые пришли к заключению, что опасность сильно преувеличена, правила работы с рекомбинантными ДНК были смягчены, что привело к ускорению развития современной биотехнологии. Во всех развитых странах мира приняты правила работы, законы, регулирующие генно- 16 инженерную деятельность. В 1996 году парламентом РФ был принят закон «О генно-инженерной деятельности». Существуют социально-экономические причины опасности ГМ растений: - они представляют угрозу для выживания миллионов фермерских хозяйств, т.к. являются бесплодными (не дают семян); - они сосредоточат контроль над мировыми пищевыми ресурсами в руках небольшой группы людей (всего 10 компаний контролируют 85% глобального агрохимического рынка); По заключению экспертов конгресса США, «биотехнология в наибольшей степени изменит образ жизни людей в XXI веке». Однако, несмотря на перспективность многих генно-инженерных идей, нужно, несомненно, проявлять максимальную осторожность при создании и, особенно, при использовании генетически модифицированных организмов.