§ 71. Биотехнология, как отрасль производства

Микробиологическая технология в промышленности

Биотехнология на защите окружающей среды

28.26M

Category:

biology

29_BIOTEKhNOLOGIYa

1. БИОТЕХНОЛОГИЯ

Биотехнология (от греч. bios — жизнь, techne — искусство и
logos — учение) — прикладная наука, использующая
биологические системы и процессы в различных областях
сельского хозяйства, промышленности и медицины.
Термин «биотехнология» был предложен в 1917 г. венгерским
инженером Карлом Эреки.

4.

Биологические объекты биотехнологии
микроорга
низмы
Растительные
и животные
клетки
Части клеток:
клеточные
мембраны,
рибосомы,
митохондрии,
хлоропласты
.
биологически
е
макромолекул
ы как
рибонуклеино
вые кислоты
(ДНК, РНК),
белки - чаще
всего
ферменты.
ДНК или РНК
необходима
для переноса
чужеродных
генов в
клетки.

5.

6.

Область применения
Примеры
Медицина,
здравоохранение,
фармакология
Антибиотики, ферменты, аминокислоты, кровезаменители, алкалоиды, нуклеотиды, иммунорегуляторы, противораковые и
противовирусные препараты, новые вакцины, гормональные препараты (инсулин, гормон роста и др.), монокпональные AT
для диагностики и лечения, пробы ДНК для диагностики и генотерапии, продукты диетического питания
Получение химических
веществ
Этилен, пропилен, бутилен, окисленные углеводороды, органические кислоты, терпены, фенолы, акрилаты, полимеры,
ферменты, продукты тонкого органического синтеза, полисахариды
Усовершенствование кормовых рационов (производство белка, аминокислот, витаминов, кормовых антибиотиков,
ферментов, заквасок для силосования), ветеринарных препаратов (антибиотики, вакцины и т.д.), гормонов роста, создание
высокопродуктивных пород, пересадка оплодотворённых клеток, эмбрионов, манипуляции с чужеродными генами
Животноводство
Растениеводство
Биорациональные пестициды, бактериальные удобрения, гибберелины, производство безвирусного посадочного материала,
создание высокопродуктивных гибридов, введение генов устойчивости к болезням, засухе, заморозкам, засоленности почв
Кормовой белок, ферменты, антибиотики, создание генетически модифицированных пород с усиленным ростом, устойчивых
к заболеваниям
Белок, аминокислоты, заменители сахара (аспартам, глюкозофруктовый сироп), полисахариды, органические кислоты,
Пищевая промышленность
нуклеотиды, липиды, переработка пищевых продуктов
Энергетика и добыча
Спирты, биогаз, жирные кислоты, алифатические углеводороды, водород, уран, интенсификация добычи нефти, газа, угля,
полезных ископаемых
искусственный фотосинтез, биометаллургия, добыча серы
Рыбное хозяйство
Тяжёлая промышленность
Улучшение технических характеристик каучука, бетонных, цементных, гипсовых растворов, моторных топлив;
антикоррозийные присадки, смазки для проката чёрных и цветных металлов, технический белок и липиды
Лёгкая промышленность
Улучшение технологии переработки кож, производства текстильного сырья, шерсти, бумаги, парфюмерно-косметических
изделий, получение биополимеров, искусственных кожи и шерсти и т.д.
Биоэлектроника
Космонавтика
Экология
Научные исследования
Биосенсоры, биочипы
Создание замкнутых систем жизнеобеспечения в космосе
Утилизация сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, биодеградация трудноразлагаемых и токсических
веществ (пестицидов, гербицидов, нефти), создание замкнутых технологических циклов, производство безвредных
пестицидов, легкоразрушаемых полимеров
Генно-инженерные и молекулярно-биологические исследования (ферменты рестрикции ДНК, ДНК- и РНК-полимеразы, ДНКи РНК-лигазы, нуклеиновые кислоты, нуклеотиды и т.д.), медицинские исследования (средства диагностики, реактивы и пр.),
химия (реактивы, сенсоры)

7.

8.

9. 10. § 71. Биотехнология, как отрасль производства

• Начало разработки научных основ биотехнологии связано
с именем французского ученого Луи Пастера, который в
середине ХIХ века исследовал свойства микроорганизмов.
• Так, выясняя причину прокисания вина, Пастер
обнаружил микроорганизм – Mycoderma aceti,
превращающий вино в уксус.
• Рекомендация Пастера предотвращать порчу вина путем
его прогревания в течение 30 минут при температуре 5560 ºС под названием «пастеризация» получила широкое
применение в пищевой промышленности.

11.

Направления современной биотехнологии:
1. Получение иммобилизованных ферментов (энзимов).
С их помощью получают важнейшие компоненты для
пищевой и медицинской промышленности.
2. Культивирование штаммов микроорганизмов,
плесневых и дрожжевых грибов для производства в
промышленных масштабах кисломолочных продуктов,
антибиотиков, витаминов, синтетических белков и т. п.
3. Биоинженеринг, представленный тремя
направлениями: клеточной, хромосомной и генной
инженерией

12.

Инженерная энзимология – наука, разрабатывающая методы создания
высокоэффективных ферментов для промышленного использования.
Создание так называемых иммобилизованных (неподвижно
закрепленных на синтетических полимерах, полисахаридах и других
носителях-матрицах) энзимов явилось значительным шагом в развитии
современной биотехнологии.

13.

14.

Носителями для иммобилизованных ферментов служат некоторые органические и
неорганические вещества. Они должны иметь высокую химическую прочность, быть
проницаемыми для фермента и субстратов, легко активироваться и являться
доступными для получения в виде удобных в технологическом отношении форм
(гранул, мембран), иметь невысокую стоимость.
Органические носители иммобилизованных ферментов могут быть природного или синтетического
происхождения. Среди природных полимерных органических носителей различают полисахаридные,
белковые и липидные, а среди синтетических — полиметиленовые, полиамидные и полиэфирные.
Наиболее часто для иммобилизации ферментов применяют такие природные полимеры, как целлюлоза,
декстран и агар.
В биотехнологии используются и синтетические полимерные носители, например полученные на
основе стирола, акриловой кислоты, поливинилового спирта. В качестве неорганических носителей
для иммобилизации ферментов применяют материалы из стекла, глины, керамики, силикагеля.
Сочетание уникальных каталитических свойств ферментов с преимуществами их иммобилизации
позволило создать в биотехнологии новые промышленные процессы. Большинство из них применяют
в пищевой промышленности — например, при производстве глюкозофруктозных сиропов, получении
диетического безлактозного молока, сахаров из молочной сыворотки, аспарагиновой, уксусной,
яблочной кислот и др.

15.

Основные преимущества использования иммобилизованных ферментов перед
природными заключаются в следующем:
1) иммобилизованные ферменты легко отделимы от реакционной среды, что
даёт возможность использовать их повторно, а также получать чистый (без
примесей) продукт ферментативной реакции;
2) ферментативный процесс с использованием иммобилизованных ферментов
можно проводить непрерывно, регулируя скорость катализируемой реакции и
выход конечного продукта;
3) иммобилизованные ферменты можно модифицировать, целенаправленно
изменяя их свойства, например специфичность действия;
4) можно регулировать каталитическую активность иммобилизованных
ферментов путём изменения свойств носителя.

16.

Данный метод применяют для получения антибиотиков, в
химической промышленности, при получении тканей, кожи,
бумаги, при производстве сахара для диабетиков, некоторых
гормональных препаратов, в пищевой промышленности для
получения сиропа, улучшения качества молока и ряде других
производств.
В медицине иммобилизованные энзимы перспективны в борьбе
с опухолями, тромбами.
Энзимы используются в технологических процессах пищевой
промышленности: для получения глюкозно-фруктозного сиропа,
глюкозы из крахмала, улучшения качества молока и ряде других
производств.

17.

18.

§ 72. Микробиологическая технология

19.

• Микроорганизмы используются:
• - в пищевой промышленности (хлебопечение, получение кисломолочных
продуктов, виноделие, пивоварение);
• - для получения спирта, органических кислот;
• - в очистке сточных вод и водоёмов от промышленного загрязнения мазутом,
бензином и другими нефтепродуктами;
• - в переработке отходов;
• - для получения витаминов ( В1, В2, В12, С, D), аминокислот (особенно
незаменимых – глицина, метионина, лизина), антибиотиков, противовирусных
препаратов (интерферонов), белковых гормонов;
• - для получения кормового белка;
• - для биологических методов борьбы с вредителями;
• - в металлургии для извлечения металлов из бедных или сложных по составу
руд и др.

20.

Микробиологическая технология
Основана на искусственном культивировании специально выведенных
штаммов микроорганизмов для промышленного получения антибиотиков,
гормонов, витаминов, ферментов, кормовых белков и т. п.
Объекты микробиологической технологии
Клетки микроорганизмов - бактерий и одноклеточных грибов —
дрожжей, представляют собой удобные объекты для
микробиологической технологии.
Эти одноклеточные организмы живут в разных условиях, быстро растут
и размножаются, могут перерабатывать разнообразные продукты,
вещества и материалы — молоко, нефть, мазут, уголь, целлюлозу и др.

21. Особенности микроорганизмов!

1. гаплоидный геном (у них единственная «хромосома» кольцевая двуцепочечная молекула ДНК), поэтому все
возникающие у микроорганизмов мутации проявляются в
первом же поколении и никогда не бывают в скрытом
состоянии.
2. сравнительно небольшое количество генов, взаимодействия
генов просты или отсутствуют;
3. только бесполое размножение (исключение –конъюгация);
4. неограниченное количество материала для работы и
короткий жизненный цикл;
5. большое разнообразие физиологических и биохимических
свойств,
6. легко поддаются воздействию мутагенов;
7. используют для жизнедеятельности дешевые субстраты.

22.

23.

Интенсивному развитию
микробиологической технологии
способствовало открытие антибиотиков. В
1928 г. английский учёный Александр
Флеминг обнаружил, что плесневый грибпеницилл вырабатывает вещество,
убивающее болезнетворные бактерии.
Однако первый штамм пеницилла оказался
неудобным для промышленного разведения:
гриб развивался на поверхности питательной
среды и количество выделяемого
антибиотика было незначительным.
Благодаря селекционной работе, основанной
на радиационном мутагенезе и
искусственном отборе, учёным удалось
создать штаммы пеницилла, продуктивность
которых увеличилась в 10 тыс. раз по
сравнению с исходной формой.

24.

Производство белка, аминокислот и витаминов
Важное направление микробиологической технологии — производство пищевого и кормового белка.
Для этого используют особые штаммы дрожжей. В специальных аппаратах — биореакторах — они
разлагают растительное сырьё, главным образом солому, которая является отходом растениеводства.
Скорость накопления такими дрожжами белка в 100 тыс. раз выше, чем у других организмов.
С одного кубического метра биореактора за сутки получают 30 кг белка, что эквивалентно суточному
приросту биомассы стада из 100 коров. Белок затем используется как биоактивная добавка в корма для
сельскохозяйственных животных: крупного рогатого скота, свиней, кур и др.
Пищевые белки, полученные с помощью дрожжей, после пропитки специальными веществами,
придающими им соответствующую форму, вкус, цвет и запах, могут применяться в питании человека.
Таким способом уже созданы искусственные мясо, молоко, сыр, чёрная икра и другие продукты, которые
могут быть рекомендованы для питания вегетарианцев и людей, страдающих ожирением.
Пищевые белки добавляют также в малоценные продукты питания для повышения в них общего
содержания питательных веществ и улучшения аминокислотного состава.
С помощью культивируемых микроорганизмов производят также отдельные незаменимые аминокислоты,
например глицин, метионин, лизин и витамины (В1, В2, В12, С, D).
Их используют в качестве биоактивных добавок к продуктам питания и средств повышения устойчивости
организма человека и сельскохозяйственных животных к различным заболеваниям, а также с целью
профилактики авитаминозов.
В настоящее время получены штаммы дрожжей из рода Candida, способные синтезировать белок из
углеводородов нефти, что позволяет применять их для биологической очистки водоёмов от
промышленного загрязнения мазутом, бензином и другими нефтепродуктами.

25. 26. Микробиологическая технология в промышленности

Биотехнология металлов основана на способности некоторых
бактерий, например, тионовых, окислять минералы и переводить
металлы в растворимые соединения.
При окислении бактериями сульфидных минералов
(меди, цинка, железа, олова, кадмия) до сульфатов большинство
цветных металлов и редких элементов переходит в раствор.
Такой способ уменьшает себестоимость меди, уменьшает
количество отходов производства и выброс в атмосферу ядовитых
газов.
С помощью бактерий извлекают из руды уран, золото и серебро,
удаляют такую вредную примесь, как мышьяк.

27. Биотехнология на защите окружающей среды

• Микробиологическая технология применяется также для
улучшения качества углей.
Как бурые, так и каменные угли нередко содержат до 10-12%
серы.
При сжигании углей она превращается в сернистый газ, который
выбрасывается в атмосферу, где из него образуется серная
кислота.
Из атмосферы серная кислота выпадает на поверхность земли в
виде сернокислых дождей, наносящих огромный ущерб
окружающей среде и здоровью человека.
Тионовые бактерии используют для обессеривания углей, т.е.
удаления из них соединений серы, представленных в них
сульфидом железа (пиритом).
В настоящее время при помощи тионовых бактерий из углей
удаляется до 50% серы.

28.

Микроорганизмы используются и для повышения нефтеотдачи пластов при
нефтедобыче.
Впервые применять углеводородокисляющие и метанообразующие
бактерии для повышения вторичной добычи нефти предложил в 1926 г.
американский учёный М. Бекман.
Бактерии закачивают через скважины вместе с водой.
Здесь начинают идти процессы частичного разрушения нефти углеводородокисляющими бактериями.
Они сопровождаются накоплением углекислого газа, водорода и
низкомолекулярных органических кислот, которые затем
метанообразующие бактерии превращают в метан. Эти процессы приводят
к разжижению нефти и повышению газового давления в нефтеносном
пласте, что и влечёт за собой увеличение добычи нефти из скважины.

29. § 73. Клеточная технология и инженерия

Клеточная инженерия – это эксперименты с изолированными клетками
организмов, которые позволяют конструировать клетки нового типа путем
гибридизации и слияния клеточных структур (ядер, митохондрий,
хлоропластов) для получения организмов с заданными свойствами.
Выращивание клеток и тканей на питательных средах получило
название метода культуры клеток и тканей.
Его создание связано с работами ученых Ф.Уайта и Р.Готре.

30. Клеточная инженерия

Микроклональное размножение растений

31.

Кусочек растительной ткани — эксплант — был выделен из корнеплода растения и помещён
на питательную среду, содержащую минеральные соли, аминокислоты, гормоны и другие
необходимые для роста и развития вещества. В результате митотического деления эксплант
образовал однородную неспециализированную клеточную массу — каллус, клетки которого
обладали тотипотентностью (от лат. totus — целый и potentia — сила) — способностью
давать начало любому типу клеток.
При разделении клеток и добавлении в питательную среду фитогормонов ауксинов и
кининов, обеспечивающих рост и дифференцировку клеток, были получены небольшие по
размеру растения- регенеранты, похожие на проростки. Эти растения отмыли от питательной
среды и пересадили на поле, где они развились в полноценные экземпляры моркови.

32.

33.

34.

35.

Клонирование растений:
Успех в клонировании целых растений из отдельных
дифференцированных клеток был достигнут в 1950-х годах
Ф. К. Стюардом и его учениками в Корнельском университете,
которые работали с растениями моркови.
Они обнаружили, что дифференцированные клетки, взятые из
корня (моркови) и проинкубированные в культуральной среде,
могут вырасти в нормальные взрослые растения, каждое из
которых генетически идентично исходному растению.
Эти результаты показали, что дифференциация необязательно
предполагает необратимые изменения в ДНК.
По крайней мере, у растений зрелые клетки могут
“дедифференцироваться”, а затем образовать любые
специализированные типы клеток организма.
Любая клетка с таким потенциалом дифференцировки
называется тотипотентной.
Клонирование растений широко используется в сельском
хозяйстве.
Для таких растений, как орхидеи, клонирование является
единственным коммерчески удобным средством
воспроизведения растений.
В других случаях клонирование используют для
воспроизведения растений, обладающих ценными свойствами,
такими как устойчивость к патогенам растений!

36.

37.

Метод культуры клеток и тканей позволяет размножать какое –
либо растение в искусственных условиях, т.е. создать его клон.
Преимущество этого микроклонального
размножения растений по сравнению с
семенным:
за короткое время можно получить большое
число генетически
однородных особей:
-способных к быстрому росту;
-обладающих калиброванными качествами;
-не зараженных болезнями

38.

В России существуют питомники микроклонального
размножения овощных, плодовых и декоративных культур,
в которых производят посадочный материал для
выращивания картофеля, томатов, смородины, яблони,
роз и др.

39.

Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут. Т3 стр 54-55

40.

41.

42.

22. Различные отрасли народного хозяйства и медицины потребляют
ежегодно более 200 тонн женьшеня. Сбор этого растения в лесах даёт
не более 150 килограмм в год. Культурные плантации не могут
удовлетворить потребности человека. Каким способом удаётся
получить необходимое количество сырья и сохранить это растение в
природе? Объясните, в чём заключается этот метод размножения.
1) растение размножают микроклональным методом;
2) методом культуры ткани, культивируемой на питательной среде, выращивают биомассу женьшеня в необходимом количестве для получения экстракта этого растения.

43.

Стволовые клетки, которые являются родоначальными клетками тканей и органов и абсолютно идентичны клеткам
человека, у которого был взят исходный генетический материал.
Стволовые клетки могут обеспечить медиков полностью совместимой трансплантационной тканью. Первоначально
предполагается имплантировать клетки в организм для восстановления дефектов, вызванных болезнью, например в
сердечную мышцу после перенесённого инфаркта. В будущем из стволовых клеток планируется выращивать полностью
нормальные ткани и органы.

44.

45.

Стволовые клетки из эмбрионов и из взрослых организмов.
Эмбрионы ранних стадий развития многих животных содержат стволовые клетки, способные порождать
дифференцированные клетки любого типа. Стволовые клетки могут быть выделены из ранних эмбрионов на
стадии, называемой стадией бластулы, а в случае человека — бластоцисты.
В культуре клеток, эти эмбриональные стволовые (ЭС) клетки размножаются неопределенно долго;
в зависимости от условий культивирования они могут быть направлено дифференцированы в самые
разнообразные специализированные клетки, включая яйцеклетки и сперматозоиды.
В теле взрослых организмов также имеются стволовые клетки, которые по мере необходимости
служат для замены неразмножающихся специализированных клеток.
В отличие от ЭС-клеток, стволовые клетки взрослых организмов не способны сформировать все типы клеток в
организме, но могут дифференцироваться в несколько типов.
Например, один из нескольких типов стволовых клеток костного мозга может формировать все виды клеток
крови, а другой может дифференцироваться в кости, хрящи, жир, мышцы и эндотелий кровеносных сосудов.
К удивлению многих, было установлено, что мозг взрослого человека содержит стволовые клетки, которые
продолжают производить определенные виды нервных клеток. Исследователи также сообщили об обнаружении
стволовых клеток в коже, волосах, глазах, и пульпе зубов. Хотя взрослые животные имеют лишь крошечное
количество стволовых клеток, ученые учатся идентифицировать и выделять эти клетки из различных тканей, а в
некоторых случаях выращивать их в культуре.
При правильных условиях культивирования (например, при добавлении специфических факторов роста)
культивируемые стволовые клетки из взрослых животных можно направить дифференцироваться в нескольких
типов специализированных клеток, хотя они и не являются такими универсальными, как ЭС-клетки.

46.

47.

Соматическая гибридизация
Искусственное объединение целых клеток с образованием
гибридных геномов называют соматической
гибридизацией.
С помощью метода клеточной технологии были созданы
отдалённые гибриды соматических клеток не только
растений, но и животных.
Путём соматической гибридизации клеток культурного
картофеля (Solanum tuberosum) и дикого (Solanum chacoense)
был выведен новый сорт, отличающийся необычайной
мощностью куста и устойчивый к ряду заболеваний.
Для гибридизации использовались протопласты клеток двух
видов картофеля, лишённые клеточной стенки и имеющие
только наружную плазматическую мембрану.
Они выращивались на питательной среде, где и происходило
их слияние с образованием гибридного каллуса и дальнейшее
развитие из него соматического гибридного растения.
Благодаря хозяйственно ценным признакам полученный
соматический гибрид картофеля стал затем широко
использоваться в практической селекции. Половой же гибрид
этих двух видов картофеля такими признаками не обладает.
Гибридизация картофеля:
1 — родительская форма S. tuberosum;
2 — соматический гибрид;
3 — родительская форма S. chacoense;
4 — половой гибрид

48.

49.

50.

Разработка направления клеточной инженерии, связанного с созданием
антител определённой специфичности, приближает решение этих
проблем.
Для получения таких антител конструируют гибридомы (от лат. hybrida
— помесь и ота — опухоль) — гибридные клетки, образованные из
протопластов лимфоцитов селезёнки иммунизированных животных
и раковых клеток.
Гибридомы производят один вид антител — моноклональные антитела
(свойство, характерное для лимфоцитов) и способны неограниченно
размножаться (свойство раковых клеток).
Моноклональные антитела используют в медицине для нейтрализации.
дифтерийного и столбнячного токсинов, змеиных ядов, для распознавания
антител и антигенов, а также биологически активных веществ (гормонов,
ферментов), находящихся в крови, плазме и лимфе.
Введённые в организм моноклональные антитела блокируют антигены,
поэтому их применяют с целью ранней диагностики онкологических
заболеваний.
Моноклональные антитела способны доставлять к клеткам опухоли
радиоактивные вещества, позволяющие точно обнаружить её
местонахождение в организме, а также лекарственные препараты,
обеспечивающие разрушение опухоли.

51.

Гибридо́ма — гибридная клеточная линия,
полученная в результате слияния клеток двух
видов: способных к образованию
антител B-лимфоцитов, полученных из
селезёнки иммунизированного животного (чаще
всего мыши), и опухолевых клеток миеломы.
Слияние клеток производится с помощью
нарушающего мембраны агента, такого,
как полиэтиленгликоль или вирус Сёндай.
Поскольку раковые клетки миеломы
«бессмертны», то есть способны делиться
большое количество раз, после слияния и
соответствующей селекции гибридома,
производящая моноклональные антитела против
антигена может поддерживаться долгое время.
В 1984 г. за открытие принципа получения
моноклональных
антител Мильштейн, Кёлер и Ерне получили Но
белевскую премию по физиологии и медицине.

52.

53.

Реконструкция яйцеклеток и клонирование животных
В 1952 г. американские учёные Р. Бриггс и Т. Кинг разработали
микрургический метод трансплантации ядер эмбриональных
клеток лягушки.
Учёные установили, что если брать ядра из клеток зародыша на
стадии бластулы, то примерно в 80 % случаях зародыши
благополучно развиваются и превращаются в нормальных
головастиков.
Реконструированные таким способом яйцеклетки давали начало
новому полноценному организму, причём его признаки
полностью определялись генами, содержащимися в хромосомах
пересаженных в яйцеклетки ядер.
Результатом этих работ стало открытие способности
соматических ядер обеспечивать нормальное развитие яйцеклеток
в зародыши.
Эксперименты доказали, что наследственный материал
соматических клеток способен сохраняться полноценным в
функциональном отношении, а дифференцировка клеток является
результатом активности и блокировки определённых генов.
Методом трансплантации ядер соматических клеток в яйцеклетки
получены клоны амфибий, рыб, мышей, кроликов, овец и др.

54.

Может ли ядро из дифференцированной животной
клетки определять направление развития организма?
Эксперимент. Джон Гёрдон и его коллеги разрушили ядра
яйцеклеток лягушки с помощью облучения
ультрафиолетом. После этого они пересадили ядра из
клеток эмбрионов лягушки и головастиков в безъядерные
яйцеклетки.
Результаты. Если ядро было пересажено из эмбриона,
находящегося на ранней стадии развития, клетки которого
практически недифференцированы, то большинство
яйцеклеток- реципиентов развивалось в головастиков.
Но если ядро пересаживали из полностью
дифференцированных клеток желудочно-кишечного тракта
головастиков, то в нормальных головастиков превращалось
менее 2% яйцеклеток. Развитие большинства эмбрионов
останавливалось на гораздо более ранних стадиях.
Выводы. Ядро из дифференцированной клетки лягушки
может
направлять развитие яйцеклетки в головастика. Однако
направляющая способность снижается по мере
дифференцировки клетки донора. Вероятно, это
происходит вследствие происходящих в ядре изменений.

55.

В серии опытов с клетками молочной железы из 277 реконструированных
яйцеклеток был получен только один живой ягнёнок.

56.

57.

И как у Долли, у многих клонированных животных обнаруживаются пороки
развития.
Клонированные мыши, например, склонны к ожирению, пневмонии, печеночной
недостаточности и преждевременной смерти. Ученые утверждают, что даже те
клонированные животные, которые кажутся нормальными, скорее всего, имеют
легкие отклонения от нормы.
В ядрах полностью дифференцированных клеток работает небольшой набор генов, а
экспрессия остальной части подавляется. Такая регуляция часто является результатом
эпигенетических изменений в хроматине, таких как ацетилирование гистонов или
метилирование ДНК.
Исследователи обнаружили, что ДНК в клетках клонированных эмбрионов, как и в
дифференцированных клетках, часто имеет больше метильных групп, чем ДНК в
эквивалентных клетках нормальных эмбрионов того же вида.
Во многом успех попытки клонирования может зависеть в значительной степени от
того, насколько успешно может быть искусственно изменен хроматин в донорском
ядре, чтобы соответствовать хроматину недавно оплодотворенной яйцеклетки.

58.

Клонирование позволит не только сохранить генотип ценных и выдающихся в
производственном отношении сельскохозяйственных животных, но и практически
безгранично их размножать.
Например, если взять соматические ядра из клеток коровы класса элита-рекорд и
перенести их в безъядерные яйцеклетки обычных коров, то телята, развившиеся из
зародышей в матках приёмных коров- «воспитательниц», полностью сохранят признаки
элитной породы. Таким способом можно будет получать целые стада животных,
обладающих генотипом высокопродуктивной коровы.
В 1981 г. впервые в мире родились 12 детей, развившихся из искусственно
оплодотворённых яйцеклеток.
Сейчас этот метод интенсивно развивается, количество «пробирочных» детей
составляет десятки тысяч, и для бездетных супружеских пар искусственное
оплодотворение даёт единственную возможность обзавестись собственным потомством.

59.

60.

61.

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.
Таким же образом удалось добавить пшенице
хромосомы злакового растения гайнальдии.
Были получены линии пшеницы с шестью из семи
возможных хромосом гайнальдии.
Добавление первой и второй хромосом оказывало
заметное влияние на повышение плотности колоса у
пшеницы с добавленными хромосомами.

62.

Метод гаплоидов основан на выращивании гаплоидных растений с
последующим удвоением хромосом.
Например, из пыльцевых зерен кукурузы выращивают гаплоидные растения,
содержащие 10 хромосом (n = 10), затем хромосомы удваивают и получают
диплоидные (n = 20), полностью гомозиготные растения всего за 2–3 года
вместо 6–8-летнего инбридинга.

63.

Генная инженерия
Генная инженерия решает задачу целенаправленного создания новых
комбинаций генетического материала путём лабораторных методов tn
vitro, которые позволяют манипулировать нуклеиновыми кислотами,
переносить нужные гены организма одного вида в организм другого вида.
рестрикционными эндонуклеазами или рестриктазами (от лат. restrictio
— 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.

64.

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.

65.

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.

66.

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.

67.

Этапы образования рекомбинантной ДНК
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.

68.

69.

70.

Создание трансгенных организмов
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).

71.

Козы как "фармацевтические"
животные. В геноме
этой трансгенной козы содержится
ген, экспрессирующий
антитромбин (белок крови
человека), который она
секретирует
в молоко. Пациенты с редким
наследственным
расстройством, для которого
характерно отсутствие этого
белка, страдают от образования
тромбов в кровеносных сосудах,
Антитромбин можно легко
выделить из козьего молока
и затем использовать для
предотвращения образования
тромбов у таких пациентов в ходе
операций или родов.

72. Генная инженерия

• Методами генной инженерии ген инсулина
человека был встроен в ДНК кишечной палочки,
и бактерия начала активно синтезировать гормон.
• В 1982 году инсулин человека стал одним из
первых фармацевтических препаратов,
полученных с помощью методов генной
инженерии.
Аналогичным способом получают
гормон роста - соматотропин.
Человеческий ген, встроенный в геном
бактерии, обеспечивает синтез гормона,
инъекции которого используются при лечении
карликовости и восстанавливают рост больных
детей почти до нормального уровня.

73. Генная инженерия у эукариот

Канадские ученые ввели в геном лосося ген другой рыбы, который активирован ген
гормона роста. Это привело к тому, что лосось рос в 10 раз быстрее и набирал вес, в 30 раз
превышающий норму.
Созданы трансгенные овцы, генотип которых содержит ген, отвечающий за синтез особого
белка – фактора свертываемости крови IX. Этот белок, вырабатываемый клетками
молочной железы, выделяется из овечьего молока и используется для лечения больных
гемофилией.

74.

Генная инженерия
Перенос новых генов в геном животных
возможен с помощью микроинъекции ДНК
в ядро яйцеклетки. Так получили
трансгенную гигантскую мышь, которой
ввели ген гормона роста крысы.

75. Генная инженерия у эукариот

Бактерия тюрингская бацилла выделяет эндотоксин, убивающий
многих вредных насекомых.
Ген, отвечающий за синтез этого токсина, был выделен из генома
бактерии и встроен в геном культурных растений.
К настоящему времени уже созданы устойчивые к вредителям сорта
кукурузы, риса, картофеля, помидоров, свеклы, табака.
Сейчас получены сорта культурных растений, устойчивые к
действию гербицидов путем «вшивания» гена сальмонеллы,
обеспечивающего такую невосприимчивость.

76.

• Введение гена моркови в генотип риса уже сейчас
обеспечивает потребность жителей Юго-Восточной
Азии в витамине А, необходимом для нормального
зрения и роста.
• Вживление генов северных рыб в геном томатов и
клубники делают их морозоустойчивыми.
Удалось добиться морозоустойчивости винограда путем
внедрения в его геном гена от дикорастущего
родственника капусты брокколи.

77.

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.