Этапы генной инженерии егэ

в условии
в решении
в тексте к заданию
в атрибутах

Категория:

Атрибут:

Всего: 90    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …

Добавить в вариант

Всего: 90    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …

Хромосомная и генная инженерия. ГМО

Ключевые слова: хромосомная инженерия, генная инженерия, рестрикционные эндонуклеазы (рестриктазы); липкие концы; плазмиды; метод рекомбинантных плазмид; рестрикция, лигирование, трансформация, скрининг; трансгенные (генетически модифицированные) организмы, ГМО.
Раздел ЕГЭ: 3.9. Биотехнология, ее направления. Клеточная и генная инженерия, клонирование.

Учёные издавна мечтали целенаправленно изменять наследственность организмов, создавать новые комбинации хозяйственно ценных признаков. Современные исследователи приблизились к осуществлению этой мечты, овладев методами выделения из клеток хромосом, генов и их переноса в клетки другого организма. Осуществляет подобные эксперименты хромосомная и генная инженерия — перспективные направления биотехнологии.

Хромосомная инженерия

Манипуляции с целыми хромосомами или их участками называют хромосомной инженерией. Её методы дают возможность заменить одну или обе гомологичные хромосомы на другие или ввести дополнительные хромосомы в генотип организма.

Метод добавления хромосом в геном детально разработан на культурных злаках. Так, японский учёный Д. Омара внёс отдельные хромосомы ржи в хромосомный набор пшеницы. Полученный гибрид дал при самоопылении совершенно иные растения, которые отличались от пшеницы по высоте, толщине стебля, размеру и форме колосьев. Привнесённые хромосомы ржи дали возможность существенно повысить зимостойкость гибридной пшеницы, придали ей устойчивость к полеганию и к заболеваниям.

Генная инженерия

Генная инженерия решает задачу целенаправленного создания новых комбинаций генетического материала путём лабораторных методов in vitro, которые позволяют манипулировать нуклеиновыми кислотами, переносить нужные гены организма одного вида в организм другого вида.

Генная инженерия зародилась в начале 70-х гг. XX в., когда американский учёный X. Корана искусственно синтезировал ген, а П. Лобан и П. Берг получили рекомбинантную молекулу ДНК, в которой были соединены фрагменты ДНК вирусов и бактерии кишечной палочки (Escherichia coli). Генная инженерия возникла на стыке молекулярной биологии, микробиологии и энзимологии. Открытия в молекулярной биологии позволили выяснить структуру и особенности работы генов. Микробиология помогла найти векторы для генно-инженерных работ — плазмиды — внехромосомные факторы наследственности бактерий, состоящие из небольших кольцевых молекул ДНК. Энзимология предоставила исследователям ферменты, называемые рестрикционными эндонуклеазами или рестриктазами (от лат. restricts — ограничение), которые способны «узнавать» определённые последовательности нуклеотидов в ДНК и разрезать их так, чтобы на концах молекул образовывались одноцепочечные «хвосты». Эти «хвосты» могут снова по принципу комплементарности соединяться друг с другом, поэтому они были названы липкими концами.

В генной инженерии бактериальные клетки с новым генетическим материалом создают с помощью метода рекомбинантных плазмид. Он включает несколько последовательных этапов.

1. Рестрикция — разрезание молекулы ДНК, например клетки млекопитающего, ферментами-рекстриктазами на фрагменты с одинаковыми липкими концами и нужным геном. Такими же ферментами разрезают плазмидную ДНК, поэтому липкие концы плазмиды комплементарны нуклеотидным последовательностям липких концов гена. Ген можно синтезировать также искусственным путём с помощью матричных реакций. Такой синтез осуществляют с помощью фермента обратной транскриптазы, или ревертазы.
2. Лигирование — «вшивание» гена с липкими концами в плазмидную ДНК с помощью ферментов-лигаз и получение рекомбинантной плазмиды.
3. Трансформация — введение рекомбинантной плазмиды в бактериальную клетку. Для этого на клетку воздействуют высокой температурой и хлористым кальцием, что делает её оболочку проницаемой для ДНК. Внесённая в бактериальную клетку рекомбинантная плазмида начинает работать, и клетка синтезирует чужеродный белок. Частота попадания плазмиды в клетку невысока (в одну клетку из тысячи). Рекомбинантная плазмида в бактериальной клетке многократно удваивается, и чужеродный ген размножается, происходит его клонирование, т. е. передача от материнской клетки дочерним при бесполом размножении. От каждой бактериальной клетки образуется колония, состоящая из миллионов бактерий, которые подвергаются отбору — скринингу.
4. Скрининг — отбор колоний бактерий, содержащих рекомбинантные плазмиды с нужным геном. Для этого все колонии накрывают специальным фильтром, к которому они прилипают. Затем фильтр обрабатывают радиоактивным зондом — полинуклеотидом, содержащим в своём составе радиоактивный изотоп фосфора — ³²Р. Радиоактивный зонд комплементарен искомому гену, поэтому он связывается лишь с теми колониями бактерий, у которых имеются рекомбинантные плазмиды. Для их обнаружения на фильтр накладывают рентгеновскую плёнку, которую потом проявляют. По положению засвеченных на плёнке участков отбирают те колонии, которые получили нужный ген.

Методом рекомбинантных плазмид учёные создают штаммы бактерий, которые используются для производства в промышленном масштабе гормонов (инсулина, соматотропина), ферментов, белков-интерферонов, регуляторных пептидов и др. Этот же метод лежит в основе получения вакцин для борьбы с вирусами гепатита А и В, герпеса, гриппа, бешенства и ящура.

Создание трансгенных организмов (ГМО)

Клонированные гены путём микроинъекций могут быть введены в яйцеклетки, а из них выращены целые организмы, геном которых будет содержать чужеродные гены. Такие особи называют трансгенными (от лат. trans — сквозь, через) или генетически модифицированными организмами (ГМО).

В 1983 г. были получены первые трансгенные организмы — культурные растения табака и петуньи. Эти работы проводились учёными одновременно в Бельгии, Германии и США. Первой ГМО-культурой, коммерциализированной в Китае в 1992 году, стал табак, а первой ГМО-культурой, коммерциализированной в США в 1994 году, был томат FLAVR SAVR, разработанный для продления срока его хранения и минимизации размягчения фруктов. Этот томат не оправдал ожиданий, и его производитель прекратил продажи. С 1992 по 2020 год 41 страна пробовала выращивать ГМО-культуры. В настоящее время 28 стран ежегодно выращивают почти 200 млн га генетически модифицированных растений, что примерно в 113 раз больше, чем в 1996 году, когда их было 1,7 млн га. Биотехнологические культуры — это самая быстроразвивающаяся технология в истории современного сельского хозяйства.

Учёные создают трансгенные организмы с целью проявления у них новых хозяйственно ценных признаков. Например, при встраивании гена бактерии тюрингской бациллы (Bacillus thuringiensis), ответственного за выработку δ-эндотоксина, в генотип культурного картофеля получены так называемые Bt-растения картофеля (от названия вида бактерии), ядовитые для растительноядных насекомых, но безвредные для других животных и человека. Так был найден эффективный и экологически безопасный способ защиты культурного картофеля от его вредителя — колорадского жука.

(с) Genetic Literacy Project. Внедрение 22 различных культур в 41 странах мира с помощью трансгенеза, редактирования генов или других новых методов селекции (не все страны, которые ввели генетически модифицированные культуры за последние 28 лет, все еще выращивают их)

Получены трансгенные растения, устойчивые к гербицидам — ядам, применяемым для борьбы с сорняками. В настоящее время использование гербицидов сопряжено с рядом трудностей: универсальных препаратов не существует, т. е. каждый гербицид действует на определённые сорняки; гербициды накапливаются в почве, что угнетает развитие культурных растений и небезопасно для человека. Получение гербицидоустойчивых трансгенных культур стало выходом из сложившейся ситуации. Так, в клетки табака «вшили» гены бактерии сальмонеллы, обеспечивающие устойчивость к глифосату — наиболее часто используемому гербициду. Трансгенный табак стал невосприимчивым к этому препарату, кроме того, содержание глифосата в почве при выращивании такой генетически модифицированной культуры существенно снизилось. В настоящее время получение гербицидоустойчивых трансгенных культурных растений считается важным практическим достижением биотехнологии. В 1997 г. устойчивая к глифосату соя была признана в США сельскохозяйственным продуктом года.

Предприняты попытки создания методами генной инженерии азотфиксирующих растений. Если удастся встроить в генотип сельскохозяйственных культур ген, отвечающий за выработку ферментов, превращающих у клубеньковых бактерий из рода Rhizobium атмосферный азот в азотистые соединения, то выращиваемые на полях сельскохозяйственные растения смогут обойтись без дополнительной подкормки азотными удобрениями.

Велико потенциальное значение трансгенных организмов для здоровья человека. Так, введение гена моркови в генотип риса уже сейчас обеспечивает потребность жителей Юго-Восточной Азии в витамине А, необходимом для нормального роста и зрения. Встраивание генов, отвечающих за выработку антител, в генотипы сельскохозяйственных растений позволит человеку в будущем обойтись без многих лекарств. При постоянном использовании таких растений в пищу организм будет получать достаточное количество антител, что создаст надёжную защиту от инфекционных болезней.

Важной задачей генной инженерии является создание трансгенных животных. На трансгенных лабораторных мышах учёные моделируют развитие и течение различных генетических болезней человека, проводят испытания лекарственных препаратов. Созданы трансгенные овцы, генотип которых содержит ген, отвечающий за синтез особого белка — фактора свёртываемости крови IX. Этот белок, вырабатываемый клетками молочной железы, выделяется из овечьего молока и используется для лечения больных гемофилией. Раньше подобный белок получали только из донорской крови. Использовать для этого трансгенных животных безопаснее, так как у них нет вирусов, например ВИЧ и гепатита, которые могут встречаться в донорской крови.

Это конспект по биологии для 10-11 классов по теме «Хромосомная и генная инженерия». Выберите дальнейшее действие:

• Вернуться к Списку конспектов по Биологии.
• Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по биологии

Селекция

Селекция — отбор и создание новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с нужными человеку свойствами.

Породы животных, сорта растений, штаммы микроорганизмов — это совокупности особей, созданные человеком и обладающие какими-либо ценными для него качествами. Теоретической основой селекции является генетика.

Основные методы селекции

Отбор

В селекции действует естественный и искусственный отбор. Искусственный отбор бывает бессознательным и методическим.
Бессознательный отбор заключается в сохранении человеком лучших особей для разведения и употреблении в пищу худших без сознательного намерения вывести более совершенную породу или сорт.
Методический отбор осознанно направлен на выведение нового сорта или породы с желаемыми качествами.
В процессе селекции наряду с искусственным отбором не прекращает своего действия и естественный отбор, который повышает приспособляемость организмов к условиям окружающей среды.

Сравнительная характеристика естественного и искусственного отбора

Массовый отбор — выделение из исходного материала целой группы особей с желательными признаками и получение от них потомства.
Индивидуальный отбор — выделение отдельных особей с желательными признаками и получение от них потомства.

Массовый отбор чаще применяют в селекции растений, а индивидуальный — в селекции животных, что связано с особенностями размножения растений и животных.

Гибридизация

Методом отбора нельзя получить новые генотипы. Для создания новых благоприятных комбинаций признаков (генотипов) применяют гибридизацию. Различают внутривидовую и межвидовую (отдалённую) гибридизацию.

Внутривидовая гибридизация — скрещивание особей одного вида. Применяют близкородственное скрещивание и скрещивание неродственных особей.

Близкородственное скрещивание (инбридинг) (например, самоопыление у растений) ведёт к повышению гомозиготности, что, с одной стороны, способствует закреплению наследственных свойств, но с другой — ведёт к снижению жизнеспособности, продуктивности и вырождению.
Скрещивание неродственных особей (аутбридинг) позволяет получить гетерозисные гибриды. Если сначала вывести гомозиготные линии, закрепив желательные признаки, а затем провести перекрёстное опыление между разными самоопыляющимися линиями, то в результате в ряде случаев появляются высокоурожайные гибриды. Явление повышенной урожайности и жизнеспособности у гибридов первого поколения, полученных при скрещивании родителей чистых линий, называется гетерозисом. Основная причина эффекта гетерозиса — отсутствие проявления вредных рецессивных аллелей в гетерозиготном состоянии. Однако уже со второго поколения эффект гетерозиса быстро снижается.

Межвидовая (отдалённая) гибридизация — скрещивание разных видов.

Используется для получения гибридов, сочетающих ценные свойства родительских форм (тритикале — гибрид пшеницы и ржи, мул — гибрид кобылы с ослом, лошак — гибрид коня с ослицей). Обычно отдалённые гибриды бесплодны, так как хромосомы родительских видов отличаются настолько, что невозможен процесс конъюгации, в результате чего нарушается мейоз. Преодолеть бесплодие у отдалённых гибридов растений удаётся с помощью полиплоидии. Восстановление плодовитости у гибридов животных более сложная задача, так как получение полиплоидов у животных невозможно.

Полиплоидия

Полиплоидия — увеличение числа хромосомных наборов.

Полиплоидия позволяет избежать бесплодия межвидовых гибридов. Кроме того, многие полиплоидные сорта культурных растений (пшеница, картофель) имеют более высокую урожайность, чем родственные диплоидные виды. В основе явления полиплоидии лежат три причины: удвоение хромосом в неделящихся клетках, слияние соматических клеток или их ядер, нарушение процесса мейоза с образованием гамет с нередуцированным (двойным) набором хромосом. Искусственно полиплоидию вызывают обработкой семян или проростков растений колхицином. Колхицин разрушает нити веретена деления и препятствует расхождению гомологичных хромосом в процессе мейоза.

Индуцированный мутагенез

В естественных условиях частота возникновения мутаций сравнительно невелика. Поэтому в селекции используется индуцированный (искусственно вызванный) мутагенез — воздействие на организм в условиях эксперимента каким-либо мутагенным фактором для возникновения мутации с целью изучения влияния фактора на живой организм или получения нового признака. Мутации носят ненаправленный характер, поэтому селекционер сам отбирает организмы с новыми полезными свойствами.

Клеточная и генная инженерия

Биотехнология — методы и приёмы получения полезных для человека продуктов и явлений с помощью живых организмов (бактерий, дрожжей и др.). Биотехнология открывает новые возможности для селекции. Её основные направления: микробиологический синтез, генная и клеточная инженерия.
Микробиологический синтез — использование микроорганизмов для получения белков, ферментов, органических кислот, лекарственных препаратов и других веществ. Благодаря селекции удалось вывести микроорганизмы, которые вырабатывают нужные человеку вещества в количествах, в десятки, сотни и тысячи раз превышающих потребности самих микроорганизмов. С помощью микроорганизмов получают лизин (аминокислоту, не образующуюся в организме животных; её добавляют в растительную пищу), органические кислоты (уксусную, лимонную, молочную и др.), витамины, антибиотики и т. д.
Клеточная инженерия — выращивание клеток вне организма на специальных питательных средах, где они растут и размножаются, образуя культуру ткани. Из клеток животных нельзя вырастить организм, а из растительных клеток можно. Так получают и размножают ценные сорта растений. Клеточная инженерия позволяет проводить гибридизацию (слияние) как половых, так и соматических клеток. Гибридизация половых клеток позволяет проводить оплодотворение «в пробирке» и имплантацию оплодотворённой яйцеклетки в материнский организм. Гибридизация соматических клеток делает возможным создание новых сортов растений, обладающих полезными признаками и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды.
Генная инженерия — искусственная перестройка генома. Позволяет встраивать в геном организма одного вида гены другого вида. Так, введя в генотип кишечной палочки соответствующий ген человека, получают гормон инсулин. В настоящее время человечество вступило в эпоху конструирования генотипов клеток.

Селекция растений, животных и микроорганизмов

Селекция растений Для селекционера очень важно знать свойства исходного материала, используемого в селекции. В этом плане очень важны два достижения отечественного селекционера Н. И. Вавилова: закон гомологических рядов в наследственной изменчивости и учение о центрах происхождения культурных растений.
Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: виды и роды, генетически близкие (связанные друг с другом единством происхождения), характеризуются сходными рядами в наследственной изменчивости. Так, например, у мягкой и твёрдой пшеницы и ячменя существуют остистые, короткоостые и безостые колосья. Зная наследственные изменения у одного вида, можно предвидеть нахождение сходных изменений у родственных видов и родов, что используется в селекции. Чем ближе между собой виды и роды, тем больше сходство в изменчивости их признаков. Н. И. Вавиловым закон был сформулирован применительно к растениям, а позднее подтверждён для животных и микроорганизмов.
В селекции растений наиболее широко используются такие методы, как массовый отбор, внутривидовая гибридизация, отдалённая гибридизация, полиплоидия.
Большой вклад в селекцию плодовых растений внёс отечественный селекционер И. В. Мичурин. На основе методов межсортовой и межвидовой гибридизации, отбора и воздействия условиями среды им были созданы многие сорта плодовых культур. Благодаря его работам многие южные сорта плодовых культур удалось распространить в средней полосе нашей страны.
Многие сорта культурных растений являются полиплоидными. Таковы некоторые сорта пшеницы, ржи, клевера, картофеля, свёклы и т. д. Сочетание отдалённой гибридизации с последующим получением полиплоидных форм позволило преодолеть бесплодие отдалённых гибридов. В результате многолетних работ Н. В. Цицина и его сотрудников были получены гибриды пырея и пшеницы, пшеницы и ржи (тритикале).
К наиболее важным достижениям селекции растений следует отнести создание большого количества высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных растений.

Селекция животных

Как и культурные растения, домашние животные имеют диких предков. Процесс превращения диких животных в домашних называют одомашниванием (доместикацией). Почти все домашние животные относятся к высшим позвоночным животным — птицам и млекопитающим.
В селекции животных наиболее широко используются такие методы, как индивидуальный отбор, внутривидовая гибридизация (родственное и неродственное скрещивание) и отдалённая (межвидовая) гибридизация.
Использование индивидуального отбора связано с половым размножением животных, когда получить сразу много потомков затруднительно. В связи с этим селекционеру важно определить наследственные признаки самцов, которые непосредственно у них не проявляются (жирномолочность, яйценоскость). Поэтому оценка животных может быть осуществлена по их родословной и по качеству их потомства. Имеет определённое значение также учёт экстерьера, то есть совокупности внешних признаков животного. Подбор производителей в животноводстве особенно актуален в связи с применением в настоящее время искусственного осеменения, позволяющего получить от одного организма значительное число потомков. Родственное скрещивание ведёт к гомозиготности и чаще всего сопровождается уменьшением устойчивости животных к неблагоприятным факторам среды, снижением плодовитости и т. п. Для устранения неблагоприятных последствий используют неродственное скрещивание разных линий и пород. На основе межпородного скрещивания были созданы высокопродуктивные сельскохозяйственные животные (в частности М. Ф. Иванов создал высокопродуктивную породу свиней Белая украинская, породу овец Асканийская рамбулье). Неродственное скрещивание сопровождается гетерозисом, сущность которого состоит в том, что гибриды первого поколения имеют повышенную жизнеспособность и усиленное развитие. Примером эффективного использования гетерозиса служит выведение гибридных цыплят (бройлерное производство).
Отдалённая (межвидовая) гибридизация животных приводит к бесплодию гибридов. Но благодаря проявлению гетерозиса широко используется человеком. Среди достижений по отдалённой гибридизации животных следует отметить мула — гибрида кобылы с ослом, бестера — гибрида белуги и стерляди, продуктивного гибрида карпа и карася, гибридов крупного рогатого скота с яками и зебу, отдалённых гибридов свиней и т. д.

Селекция микроорганизмов

К микроорганизмам относятся прокариоты — бактерии, сине-зелёные водоросли; эукариоты — грибы, микроскопические водоросли, простейшие.
В селекции микроорганизмов наиболее широко используются индуцированный мутагенез и последующий отбор групп генетически идентичных клеток (клонов), методы клеточной и генной инженерии.
Деятельность микроорганизмов используют в промышленности, сельском хозяйстве, медицине. Ферментативную активность микроорганизмов (грибов и бактерий) используют в производстве молочных продуктов, хлебопечении, виноделии и др. С помощью микроорганизмов получают аминокислоты, белки, ферменты, спирты, полисахариды, антибиотики, витамины, гормоны, интерферон и пр.
Выведены штаммы бактерий, способные разрушать нефтепродукты, что позволит использовать их для очистки окружающей среды. Ведутся работы по перенесению генетического материала азотфиксирующих микроорганизмов в геном почвенных бактерий, которые этими генами не обладают, а также непосредственно в геном растений. Это позволит избавиться от необходимости производить огромное количество азотных удобрений.

Выведением
новых и совершенствованием существующих сортов растений, пород животных и
штаммов микроорганизмов с необходимыми человеку свойствами занимается наука селекция.

Селекция
микроорганизмов, в отличие от селекции растений и животных, имеет ряд
особенностей: гаплоидный геном бактерии, позволяет выявить любые мутации уже в
первом поколении. А также высокая интенсивность размножения даёт возможность
найти полезную мутацию по интересующему исследователя гену.

Селекция
микроорганизмов (в основном бактерий и грибов) основана на экспериментальном
мутагенезе и отборе наиболее продуктивных штаммов, генетически идентичных
клеток ― клонов.

После
выделения из дикого штамма микроорганизмов, обладающих полезными свойствами,
проводится отбор наиболее продуктивных штаммов среди них.

Следующий
этап, как правило, — применение искусственного мутагенеза, позволяющего усилить
появление различных мутаций. В качестве мутагенов используются ионизирующие
излучения, некоторые химические вещества, а также ультрафиолетовое излучение,
обладающее хотя и низкой проникающей способностью, но достаточной для появления
мутаций у микроорганизмов.  

Для
получения культуры микроорганизмов-мутантов с нужными качествами
учёными-селекционерами разработаны специальные методы отбора. Отобранный
клон подвергается многократному пересеву на питательную среду с контролем на
образование требуемого продукта. Цель такого многократного клонирования ―
получение наиболее однородной популяции клеток. После получения продуктивных
штаммов приступают к их размножению. 

Использование
данной технологии позволило селекционерам получить штаммы, продуктивность
которых в сотни и тысячи раз выше по сравнению с исходными штаммами
микроорганизмов, взятыми из природы.

Например,
в результате искусственного мутагенеза, а затем отбора по продуктивности был
выделен штамм гриба пеницилла, способный продуцировать в 1000 раз больше
пенициллина.

Селекция
микроорганизмов является важнейшим направлением в биотехнологии.

Биотехнология
— это наука о методах и технологиях производства различных ценных веществ и
продуктов с использованием природных биологических объектов
(микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных
мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов) и процессов.

Наукой
биотехнология стала благодаря исследованиям и работам французского учёного,
основоположника современной микробиологии и иммунологии Луи Пастера.

В
конце XIX в. благодаря его трудам было установлено, что процессы брожения
осуществляют микроорганизмы.

В
70-е годы появился и активно развивался биоинженеринг, представленный
двумя основными направлениями: генной и клеточной инженерией.
   

Напомним,
что генная инженерия — это целенаправленный перенос нужных генов
(рекомбинантных ДНК) от одного вида живых организмов в другой, часто очень
далёких по своему происхождению.

Приёмы
генной инженерии позволяют выделять необходимый ген и вводить его в новое
генетическое оружие с целью создания организма с новыми, заранее
предопределёнными признаками.

Генная
инженерия направлена на конструирование новых, не существующих в природе
сочетаний генов.

После
проведения определённых манипуляций с этими генами осуществляется их введение в
другие организмы (бактерии и дрожжи, например), которые, получив новый ген
(гены), будут способны синтезировать конечные продукты с изменёнными в нужном
человеку направлении свойствами.

Иными
словами, генная инженерия позволяет получать заданные (желаемые)
качества изменяемых или генетически модифицированных организмов или так
называемых трансгенных (генетически изменённых), растений и животных.

В
наши дни при помощи методов генной-инженерии учёные создают: растения-вакцины,
растения-биореакторы для производства промышленных продуктов, растения —
фабрики лекарств и т. д.

Генно-инженерные
работы в животноводстве имеют другую задачу. Вполне достижимой целью при современном
уровне технологии является создание трансгенных животных с определённым целевым
геном. Что это значит?

Например,
ген какого-нибудь ценного гормона животного (например, гормон инсулин)
искусственно внедряется в бактерию, которая начинает продуцировать его в
больших количествах.

Ранее
инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных. Например, для
получения 100 г кристаллического инсулина требуется 800─1000 кг
поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200─250 грамм. Это
делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков. В 1978
году исследователи из фармацевтической компании «Генентек» впервые
получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки.

Получение
трансгенных животных осуществляется с помощью переноса
клонированных генов (ДНК) в ядра оплодотворённых яйцеклеток (зигот). Затем в
репродуктивные органы реципиентной самки пересаживают модифицированные зиготы
или яйцеклетки, у которых собственное ядро заменено на модифицированное ядро
эмбриональных клеток.

Клеточная
инженерия основана на культивировании отдельных
клеток или тканей на искусственных питательных средах.

Такие
клеточные культуры используются для синтеза ценных веществ, необходимых
человеку, например лекарств, а также для получения клеточных гибридов.

Предпосылкой
к развитию клеточной инженерии стала клеточная технология. Её
методы позволяют выращивать отдельные соматические клетки (то есть не половые
клетки) на питательных средах.

Любой
биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его
культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование полученных
продуктов.

Микроклональное
размножение растений (вегетативное размножение растений) проводится в
стерильных условиях.

Кусочек
растения (стебля, корня, листа) помещают на питательную среду.

Питательная
среда представляет собой субстрат желатиноподобной структуры, который содержит
все вещества, необходимые для удовлетворения пищевых и энергетических
потребностей культивируемых микроорганизмов и других биологических объектов.

Далее
чашки с растительными кусочками помещают в специальные условия с необходимым
световым и температурным режимом. Через несколько дней на месте среза
образуется тканевой наплыв, называемый каллусом.
Кусочек такой ткани можно перенести на свежую питательную среду,
где сформируется растение.

В
основе этого метода лежит уникальная способность растительной клетки путём
деления дать начало любому клеточному типу организма.

Таким
образом, вегетативное размножение на искусственных питательных средах позволяет
почти бесконечно размножать одно растение из маленьких кусочков вегетативных
органов. Такой метод размножения применяется для овощных, плодовых и
декоративных культур.

Также
при помощи этого метода можно получать сорта и виды растений, которые трудно
размножаются обычным способом. В результате сохраняется генофонд и создаётся
коллекция в условиях инвитро (то есть в пробирке).

Несколько
клеток (эксплант) помещают на питательную среду, на которой в результате
митотического деления клеток образуется однородная неспециализированная
клеточная маса. При ее разделении и добавлении необходимых растительных
гормонов обеспечивается дифференцировка клеток и рост, так получают растение
идентичное родительскому.

Затем
культуральный сосуд с растительными эксплантами помещают в термостат, где
созданы определённые температурные условия.

После
выведения растения в стерильных условиях его переносят для адаптации в
нестерильные условия, где растение постепенно привыкает к естественным
природным условиям.

Таким
образом, при помощи клеточной инженерии можно получать безвирусные,
оздоровлённые, генетически идентичные исходному материалу посадочные материалы,
которые не только внешне похожи на исходный материал, но и имеют абсолютно
одинаковую генетическую информацию.

Клеточная
инженерия позволяет в больших количествах выращивать растения, которые растут
только в определённых климатических условиях. Например, женьшень
— многолетнее лекарственное растение, которое растёт очень медленно, причём
только в особых условиях. Прирост корня составляет всего несколько граммов в
год. На фармацевтических заводах в специальных сосудах за 21 день получают до
100 г биомассы женьшеня на литр питательной среды.

Сборщики
женьшеня ежегодно заготавливают около 250 кг корней, а микробиологическая
промышленность вырабатывает свыше 5 т массы клеток.

Биотехнологические
методы применяют также и в экологии. Установлено, что микроорганизмы способны к
биодеградации (разрушению) углеводородов. Тем самым они очищают почву и воду от
загрязнения нефтепродуктами. 

В
колбе слева вы видите слой нефти на поверхности воды. В колбе справа находятся
бактерии, которые уже начали разрушать нефть.

Бактерии
также используют для очистки городских водоёмов и сточных вод.

Биотехнология
позволяет получать экологически чистые виды топлива путём биопереработки
отходов промышленного и сельскохозяйственного производств. Например, созданы
установки, в которых используются бактерии для переработки навоза и других
органических отходов в биогаз. Из 1 т навоза получают до 500 м3 биогаза, что
эквивалентно 350 л бензина, при этом качество навоза как удобрения улучшается.

Учёные
обнаружили, что бактерии, помещённые в специальные условия, во время очистки
ила начинают генерировать электричество.

В
колбе объёмом 10 миллилитров бактерии генерируют 0,7 вольт. То есть бактерии
способны не только к очищению, но и к выделению электричества.

Главным
объектом биотехнологического процесса является клетка. В ней ежеминутно
синтезируются сотни сложнейших соединений. Основа современного
биотехнологического производства — это синтез различных веществ с помощью
клеток микроорганизмов (бактерий, водорослей, дрожжей). Однако
клетки высших растений и животных ещё не нашли широкого применения ввиду их
высокой требовательности к условиям культивирования.

В
производстве кормового белка используются особые штаммы грибов-дрожжей.
В специальных аппаратах-биореакторах — они сбраживают растительное сырье,
главным образом солому, являющуюся отходом растениеводства.

С
1 кубометра биореактора за сутки получают 30 кг белка, что эквивалентно
суточному приросту биомассы стада из 100 коров.

Этот
белок затем используется как ценная питательная добавка в корма с/х животных.

Так,
1 т кормовых дрожжей позволяет сэкономить 5─7 т зерна. Это имеет большое
значение, поскольку 80 % площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводится
для производства корма скоту и птице.

Биотехнология
изучает возможность использования живых организмов, их систем или продуктов их
жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности
создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.