Реферат "Основы генной инженерии"

Кафедра микробиологии, вирусологии, иммунологии

РЕФЕРАТ

«Основы генной инженерии. Цели и задачи. Этапы генно-инженерной

технологии: принципы получения рекомбинантных ДНК»

Оренбург 2023

Содержание

Введение…………………………………………………………………………	3
1 Основы генной инженерии.…………………………………………………	5
1.1  Возможности генной инженерии…………………………………………	5
1.2 Цель и задачи генной инженерии ………………………………………..	5
1.3 Основные методы и  направления	6
1.4  Принципы создания рекомбинантных молекул ДНК. Этапы………….	7
2 Влияние генной инженерии на современный мир …………………………	9
2.1 Этическая проблема генной инженерии …………………………………	9
2.2 Безопасность генных технологий ……………………………………….10
Заключение…………………………………………………………………….	11
Список использованных источников…………………………………………	12

Введение

Генная инженерия или биотехнология - это современная междисциплинарная наука, которая использует знания из генетики, биологии, химии и информатики для изменения генотипа организмов, включая растения, животных и людей. Таким образом, генная инженерия представляет собой инструмент для создания новых видов, преодоления наследственных заболеваний, повышения качества и количества продуктов питания, и т.д.

Актуальность генной инженерии очень высока в современном мире. Вот несколько причин:

1. Решение проблем продовольственной безопасности

Генная инженерия имеет огромный потенциал для повышения урожайности культурных растений и устойчивости к заболеваниям, Повышение урожайности является критически важным аспектом обеспечения продовольственной безопасности на глобальном уровне. Также генетически модифицированные растения могут быть созданы с устойчивостью к неблагоприятным условиям, таким как засуха и засоление.

2. Разработка новых лекарств.

Генетические находки часто используются при поиске новых терапевтических целей для лечения заболеваний. Генная инженерия позволяет создавать белки, антитела, вакцины и лекарства, направленные на конкретные гены и белки, что может быстро привести к разработке новых лечебных методов.

3. Решение проблем наследственного характера

Генная инженерия может помочь решить проблемы наследственных заболеваний или расстройств, таких как синдром Дауна, муковисцидоз и гемофилия. Благодаря изучению генетики и развитию технологий синтезирования фрагментов ДНК и РНК, врачи могут устранить дефектные гены и, таким образом, лечить заболевания.

4. Создание новых видов

Генная инженерия позволяет ученым создавать новые виды животных и растений, что может помочь в сохранении биоразнообразия, а также в его увеличении в определенных экосистемах.

Хотя генная инженерия имеет большой потенциал в решении многих проблем, она также вызывает определенные этические и социальные вопросы, связанные с возможными последствиями использования технологий для изменения природы.

1. Основы генной инженерии.

1.1. Возможности генной инженерии.

Важной составной частью биотехнологии является генетическая инженерия. Возникнув в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в «фабрики» для масштабного производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средств. В настоящее время кишечная палочка (Escherichia coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин. Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока. Для получения 100 г кристаллического инсулина требуется (800-1000) кг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит (200 – 250) г. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков. В 1978 году исследователи из компании «Genentec» впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки. Инсулин состоит из двух полипептидных цепей А и В длиной 20 и 30 аминокислот. При соединении их дисульфидными связями образуется нативный двухцепочечный инсулин. Было показано, что он не содержит белков E. coli, эндотоксинов и других примесей, не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него не отличается. Впоследствии в клетках E. coli был осуществлен синтез проинсулина, для чего на матрице РНК с помощью обратной транскриптазы синтезировали ее ДНК-копию. После очистки полученного проинсулина его расщепили и получили нативный инсулин, при этом этапы экстракции и выделения гормона были сведены к минимуму. Из 1000 литров культуральной жидкости можно получать до 200 г гормона, что эквивалентно количеству инсулина, выделяемого из 1600 кг поджелудочной железы свиньи или коровы.

1.2. Цель и задачи генной инженерии

Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека

          Основные задачи генетической модификации организмов:

• придание устойчивости к ядохимикатам (например, к определенным гербицидам);

• придание устойчивости к вредителям и болезням (например, Bt-модификация);

• повышение продуктивности (например, быстрый рост трансгенного лосося);

• придание особых качеств (например, изменение химического состава).

1.3. Основные методы и  направления.

Генная инженерия - это наука о изменении, модификации и манипуляции генетического материала, который находится в клетках живых организмов.

Основы генной инженерии заключаются в следующих точках:

1. Изучение генетического кода: Генетический код  является основой каждого живого организма, и именно его изучение позволяет биологам определить, как работает организм, и какие функции выполняют его гены.

2. Рекомбинантный ДНК: Рекомбинантный ДНК - это метод, который используется для создания новых комбинаций генетического материала. Данный метод позволяет собирать и объединять различные гены в одну ДНК, что позволяет создавать новые организмы, которые были не доступны в природе.

3. Транспортировка генов: Транспортировка генов - это процесс внедрения генетического материала в клетку. Это может быть достигнуто различными методами, такими как электропорация, микроинъекция и другие методы.

4. Клонирование генов: Клонирование генов - это метод, который используется для изготовления копий генов в больших количествах. Данный метод позволяет изготавливать не только исходный ген, но и его модифицированные варианты.

5. Генная терапия: Генная терапия - это метод лечения заболеваний, использующий генетические технологии. Этот метод позволяет лечить наследственные заболевания, в том числе и те, которые невозможно лечить традиционными методами.

6. Клеточные технологии: Клеточные технологии - это методы работы с клетками, построенные на базе генной инженерии. Эти методы позволяют выращивать клетки для терапии и для исследований.

Таким образом, основы генной инженерии заключаются в изучении генетического кода, рекомбинантном ДНК, транспортировке генов, клонировании генов, генной терапии и клеточных технологиях.

1.4. Принципы создания рекомбинантных молекул ДНК. Этапы.

        Тер­мин «Генетическая инженерия» по­лу­чил рас­про­стра­не­ние по­сле то­го, как в 1972 П. Бер­гом с со­труд­ни­ка­ми впер­вые бы­ла по­лу­че­на ре­ком­би­нант­ная ДНК, пред­став­ляв­шая со­бой гиб­рид, в ко­то­ром бы­ли со­еди­не­ны фраг­мен­ты ДНК бак­те­рии ки­шеч­ной па­лоч­ки, её ви­ру­са (бак­те­рио­фа­га λ) и ДНК обезь­янь­е­го ви­ру­са SV40 (рис. 1). В 1973 С. Ко­эн с со­труд­ни­ка­ми ис­поль­зо­ва­ли плаз­ми­ду pSC101 и ре­ст­рик­та­зу (EcoRI), ко­то­рая раз­ры­ва­ет её в од­ном мес­те та­ким об­разом, что на кон­цах двух­це­по­чеч­ной мо­ле­ку­лы ДНК об­ра­зу­ют­ся ко­рот­кие ком­пле­мен­тар­ные од­но­це­по­чеч­ные «хво­сты» (обыч­но 4–6 нук­лео­ти­дов). Их на­зва­ли «лип­ки­ми», по­сколь­ку они мо­гут спа­ри­вать­ся (как бы сли­пать­ся) друг с дру­гом. Ко­гда та­кую ДНК сме­ши­ва­ли с фраг­мен­та­ми чу­же­род­ной ДНК, об­ра­бо­тан­ной той же ре­ст­рик­та­зой и имею­щей та­кие же лип­кие кон­цы, по­лу­ча­лись но­вые гиб­рид­ные плаз­ми­ды, ка­ж­дая из ко­то­рых со­дер­жа­ла, по край­ней ме­ре, один фраг­мент чу­же­род­ной ДНК, встро­ен­ной в EcoRI-сайт плаз­ми­ды. Ста­ло оче­вид­ным, что в та­кие плаз­ми­ды мож­но встраи­вать фраг­мен­ты раз­но­об­раз­ных чу­же­род­ных ДНК, по­лу­чен­ных как из мик­ро­ор­га­низ­мов, так и из выс­ших эу­ка­ри­от.

            Основная современная стра­те­гия по­лу­че­ния рекомбинантной ДНК сво­дит­ся к сле­дую­ще­му:

       1) в ДНК плаз­ми­ды или ви­ру­са, спо­соб­ных раз­мно­жать­ся не­за­ви­си­мо от хро­мо­ со­мы, встраи­ва­ют при­над­ле­жа­щие др. ор­га­низ­му фраг­мен­ты ДНК, со­дер­жа­щие оп­ре­де­лён­ные ге­ны или ис­кус­ст­вен­но по­лу­чен­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти нук­лео­ти­дов, пред­став­ляю­щие ин­те­рес для ис­сле­до­ва­те­ля;

       2) об­ра­зую­щие­ся при этом гиб­рид­ные мо­ле­ку­лы вво­дят в чув­ст­ви­тель­ные про­ка­рио­тические или эу­ка­рио­тические клет­ки, где они ре­п­ли­ци­ру­ют­ся (раз­мно­жа­ют­ся, ам­пли­фи­ци­ру­ют­ся) вме­сте со встро­ен­ны­ми в них фраг­мен­та­ми ДНК;

       3) от­би­ра­ют кло­ны кле­ток в ви­де ко­ло­ний на спец. пи­та­тель­ных сре­дах (или ви­ру­сов в ви­де зон про­свет­ле­ния – бля­шек на слое сплош­но­го рос­та кле­ток бак­те­рий или куль­тур тка­ней жи­вот­ных), со­дер­жа­щие нуж­ные ти­пы мо­ле­кул рекомбинантной ДНК и под­вер­га­ют их раз­но­сто­рон­не­му струк­тур­но-функ­цио­наль­но­му изу­че­нию.

           Для об­лег­че­ния от­бо­ра кле­ток, в ко­то­рых при­сут­ст­ву­ет рекомбинантной ДНК, ис­поль­зу­ют век­то­ры, со­дер­жа­щие один и бо­лее мар­ке­ров. У плаз­мид, напр., та­ки­ми мар­ке­ра­ми мо­гут слу­жить ге­ны ус­той­чи­во­сти к ан­ти­био­ти­кам (от­бор кле­ток, со­дер­жа­щих рекомбинантную ДНК, про­во­дят по их спо­соб­но­сти рас­ти в при­сут­ст­вии то­го или ино­го ан­ти­био­ти­ка). Рекомбинантые ДНК, не­су­щие нуж­ные ге­ны, от­би­ра­ют и вво­дят в ре­ци­пи­ент­ные клет­ки. С это­го мо­мен­та на­чи­на­ет­ся мо­ле­ку­ляр­ное кло­ни­ро­ва­ние – по­лу­че­ние ко­пий рекомбинантной ДНК, а сле­до­ва­тель­но, и ко­пий це­ле­вых ге­нов в её со­ста­ве. Толь­ко при воз­мож­но­сти раз­де­ле­ния всех транс­фи­ци­ро­ван­ных или ин­фи­ци­ро­ван­ных кле­ток ка­ж­дый клон бу­дет пред­став­лен отд. ко­ло­ни­ей кле­ток и со­дер­жать оп­ре­де­лён­ную рекомбинантную ДНК. На за­клю­чит. эта­пе про­из­во­дит­ся иден­ти­фи­ка­ция (по­иск) кло­нов, в ко­то­рых за­клю­чён нуж­ный ген. Она ос­но­вы­ва­ется на том, что встав­ка в рекомбинантную ДНК де­тер­ми­ни­ру­ет ка­кое-то уни­каль­ное свой­ст­во со­дер­жа­щей его клет­ки (напр., про­дукт экс­прес­сии встро­ен­но­го ге­на). В опы­тах по мо­ле­ку­ляр­но­му кло­ни­ро­ва­нию со­блю­да­ют­ся 2 основных прин­ци­па: ни од­на из кле­ток, где про­ис­хо­дит кло­ни­ро­ва­ние рекомбинантной ДНК, не долж­на по­лу­чить бо­лее од­ной плаз­мид­ной мо­ле­кулы или ви­рус­ной час­ти­цы; по­след­ние долж­ны быть спо­соб­ны к ре­п­ли­ка­ции.

            В ка­че­ст­ве век­тор­ных мо­ле­кул в Г. и. ис­поль­зу­ет­ся ши­ро­кий спектр плаз­мид­ных и ви­рус­ных ДНК. Наи­бо­лее по­пу­ляр­ны кло­ни­рую­щие век­то­ры, со­дер­жа­щие несколько ге­не­тических мар­ке­ров и имею­щие по од­но­му мес­ту дей­ст­вия для раз­ных ре­ст­рик­таз. Та­ким тре­бо­ва­ни­ям, напр., луч­ше все­го от­ве­ча­ет плаз­ми­да pBR322, ко­то­рая бы­ла скон­ст­руи­ро­ва­на из ис­ход­но су­ще­ст­вую­щей в при­ро­де плаз­ми­ды с по­мо­щью ме­то­дов, при­ме­няе­мых при ра­бо­те с рекДНК; она со­дер­жит ге­ны ус­той­чи­во­сти к ам­пи­цил­ли­ну и тет­ра­цик­ли­ну, а так­же по од­но­му сай­ту уз­на­ва­ния для 19 раз­ных ре­ст­рик­таз. Ча­ст­ным слу­ча­ем кло­ни­рую­щих век­то­ров яв­ля­ют­ся экс­прес­си­рую­щие век­то­ры, ко­то­рые на­ря­ду с ам­пли­фи­ка­ци­ей обес­пе­чи­ва­ют пра­виль­ную и эф­фек­тив­ную экс­прес­сию чу­же­род­ных ге­нов в ре­ци­пи­ент­ных клет­ках. В ря­де слу­ча­ев мо­ле­ку­ляр­ные век­то­ры мо­гут обес­пе­чи­вать ин­те­гра­цию чу­же­род­ной ДНК в ге­ном клет­ки или ви­ру­са (их на­зы­ва­ют ин­те­гра­тив­ны­ми век­то­ра­ми).

Рис.1- Схема, иллюстрирующая получение первой рекомбинантной ДНК Бергом

2. Влияние генной инженерии на современный мир.

2.1 Этическая проблема генной инженерии.

    С прогрессом генной инженерии связано немало биоэтических проблем, прежде всего касающихся вмешательства в генетический код человека.

Методы этой науки очень позитивны в случаях лечения ряда наследственных болезней, однако возникает опасность планомерного совершенствования человечества и его природы с целью все большей его адаптации к нагрузкам современной техносферы. Более того, еще одна важная проблема состоит в том, что организмы, участвующие в генетических экспериментах, могут обмениваться генетической информацией с прочими особями. Результаты подобных взаимодействий могут привести к неконтролируемым мутациям, ранее не встречавшимся генетическим качествам, так как многие эксперименты в сфере генной инженерии свидетельствуют о непрогнозируемости ее ближайших и отдаленных последствий.

Основные проблемы генной инженерии:

– использование генных технологий для улучшения природы человека (большинство специалистов считают, что «уникальность жизни каждого отдельного человека и ценности каждого человеческого существа должны исключать генетические улучшения»);

– доступ различных слоев населения к возможности их использования (неравенство различных слоев населения в доступе к новым биотехнологиям, обусловленное экономическими и социально-политическими факторами);

– генетического скрининга населения (выявление супружеских пар с высоким риском развития генетических заболеваний и их своевременная профилактика);

– генетическая паспортизация населения (существование дискриминации при страховке и трудоустройстве, основанная на генетической информации);

– сохранение тайны генетической информации (опасность неправомерного использования банков генетической информации, что может привести к различным видам дискриминации отдельных групп населения);

– коммерциализации использования генетической информации и генных технологий (в процессе медико-генетического консультирования информация приобретает статус товара, за которую клиент платит организации, которая осуществляет консультирование);

– научных исследований в области разработки и совершенствования генных технологий;

– трансгенных растений и животных (создание и использование человеком трансгенных организмов, особенно пищевых продуктов, вызывает большие опасения, обусловленные недостаточными исследованиями влияния их на здоровье человека).

Таким образом, при развитии генной инженерии необходимо особое внимание уделять решение приведенных этических и моральных проблем, главной целью которых является не улучшение природы человека, а лечение болезней. В «Всеобщей декларации о геноме человека и правах человека» записано: «Цель прикладного использования результатов научных исследований по геному человека, в том числе в области биологии, генетики и медицины, должна заключаться в уменьшении страданий людей и в улучшении состояния здоровья отдельного человека и всех людей».

2.2 Безопасность генных технологий.

Одной из главных опасностей генной инженерии является риск распространения модифицированных организмов. По мере того, как мы производим изменения в генетическом материале живых организмов, мы вводим новые сорта в окружающую среду. Это может привести к нежелательным последствиям, таким как незначительные изменения в экосистемах и мутации в ДНК живых организмов. Кроме того, существует вероятность, что модифицированные организмы могут стать инвазивными и вытеснить природные виды, которые не могут конкурировать с ними.

Ещё одной проблемой связанной с генной инженерией, является риск возникновения непредвиденных эффектов в организме, которые могут нанести вред здоровью человека. Например, мы можем изменить гены растений, чтобы они стали устойчивыми к пестицидам, но это может привести к появлению новых аллергенов в растении. Аллергические реакции на эти новые вещества могут стать угрозой для человеческого здоровья.

Кроме того, существует риск ошибок при проведении генетических манипуляций, который может привести к возникновению болезней или отклонений в организме. Возможность внедрения ошибок в модифицированные гены открывает потенциальную дверь к всевозможным заболеваниям.

Чтобы минимизировать риск данных проблем, необходимо принимать соответствующие меры безопасности при работе с генным материалом, выполнении экспериментов и анализе результатов. Эти меры необходимо разрабатывать и совершенствовать на протяжении всей работы в данной области.

Заключение

В процессе работы над темой была изучена и проанализирована  литература, раскрыты основные понятия, характеризующие генную инженерию, рассмотрены этапы и принципы получения рекомбинантных ДНК, а также положительные и отрицательные стороны прогрессирующей науки в современном мире.

Таким образом, получение модифицированной ДНК- крайне трудоёмкий процесс. Открытие рекомбинатных ДНК и в последующем развитие генной инженерии как науки во многом повлияло на жизнь человека. Несмотря на негативные стороны данной дисциплины, позитивных моментов во много раз больше. Именно благодаря генетической инженерии стало возможным увеличить урожайность растений, что победило голод во многих странах. Кроме того, в нынешнее время производится большое количество лекарственных препаратов, которыми лечат разного рода и тяжести заболевания. Также, с помощью генетической инженерии выявляют и устраняют наследственные заболевания на ранней стадии.

Список использованных источников

1.      Лещинская, И. Б. Генетическая инженерия / И. Б. Лещинская // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – № 1. – С. 32-394.

2.      Мохов, А. А. Использование технологии геномного редактирования: достижения и перспективы / А. А. Мохов, А. А. Чапленко, А. Н. Яворский // Биомедицина. – 2019. – Т. 15, № 2. – С. 34-42.

3.      Генетическая инженерия: спасение или гибель?  Этические проблемы генной инженерии  https://scienceforum.ru/2014/article/2014007195

4.      Щелкунов С. Н. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ // Большая российская энциклопедия. Том 6. Москва, 2006, стр. 554-556

5.      12 методов в картинках: генная инженерия. https://biomolecula.ru/articles/12-metodov-v-kartinkakh-gennaia-inzheneriia-chast-ii-instrumenty-i-tekhniki

6.      Гнатик Е. Н. Генная инженерия и биологическая безопасность // Вестник РУДН. Серия: Юридические науки. 2004. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/gennaya-inzheneriya-i-biologicheskaya-bezopasnost

7.      Дегтярев Н. Генная инженерия - : Санкт Петербург, 2002 г. – 16с., 21 с.

8.      Основы генетической инженерии и биотехнологии : учеб.-метод. 0-75 пособие ∕ А.В. Вишневец [и др.]. – Витебск : УО «ВГАВМ», 2010. – 76 с.

9.      Генная инженерия // http://ru.wikipedia.org

10.  Абрамова Виктория Олеговна, Абрамова Анастасия Владимировна ЭТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ: ПАРАДОКСЫ НАУЧНОГО И ФАНТАСТИЧЕСКОГО // Известия ТулГУ. Гуманитарные науки. 2020. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/eticheskie-problemy-gennoy-inzhenerii-paradoksy-nauchnogo-i-fantasticheskogo