Практически, как и в любой другой отрасли знания, накопление информации о биологических закономерностях наследственности и изменчивости происходило на протяжении многих лет. Биотехнологии (в широком понимании — технологии производства биологических объектов, в том числе сельское хозяйство, животноводство и т. д.), применяемые человеком, меняются в соответствии с накопленными знаниями. Значительные возможности биотехнологии в решении коренных социально-экономических проблем современного общества, многоаспектность ее влияния на общество (производство, сельское хозяйство, медицину, решение глобальных проблем, общественное сознание) позволяют рассматривать научные исследования в этой области как приоритетные. Структурная организация современной биотехнологии (включающая связи со многими областями биологии, с химией, физикой, математикой, с техническими науками, инженерно-технологической деятельностью, с производством) позволяет интегрировать в ее рамках естественнонаучные, научно-технические знания и производственно-технологический опыт. При этом формы интеграции науки и производства, осуществляемые в рамках биотехнологии, качественно отличаются от форм интеграции, реализуемых во взаимодействии других наук с производством. Во-первых, технические приемы используются в таких областях биологии, которые уже явились результатом интеграции с физикой, химией, математикой, кибернетикой, – генная инженерия, молекулярная биология, биофизика, бионика и др. В результате, формирование понятий биотехнологии, носящих синтетический характер, отражает определенный момент в движении к системе общетехнических понятий, охватывающей, кроме традиционных, новые виды технических объектов, технической деятельности. Во-вторых, в форме биотехнологии задается ориентация развития нового технологического способа производства, в котором существовала бы фаза, направленная на восстановление нарушенного природного равновесия. Биотехнология и в этом, экологическом, отношении проявляет свои преимущества: она способна функционировать таким образом, что возможно использование полученных на отдельных стадиях синтеза продуктов в сложных циклах производства, т. е. появляется возможность разработки безотходных производственных технологических процессов.
135
Наиболее перспективной областью биотехнологии является генная инженерия. Под генной инженерией понимают направление в молекулярной биологии и генетике, конечной целью которых является получение организмов с заданными свойствами (в том числе не встречающимися в природе). Кроме этого, важным элементом генной инженерии является способность проявлять определенные свойства в последующих поколениях организмов. Начальные работы американских ученых Уотсона и Крика (1953 г.) дали возможность развиваться генной инженерии как самостоятельной науке. Суть открытий этих ученых заключается в том, что перед делением клетки двойная спираль ДНК разделяется (рис. 6.2), и ферменты– полимеры собирают точную копию материнской ДНК. Таким образом, перед делением в клетке появляются две совершенно одинаковых спирали ДНК, одна Рисунок 6.2 – Спираль ДНК из которых в последствии попадает в дочернюю клетку. После этого дочерняя клетка несет ту же информацию, что и материнская, а, значит, выполняет те же функции. Такой тип реакции в клетках живого организма был назван матричным синтезом. Одна молекула — матрица, а вторая строится по ее программе. «Инструментом» генной инженерии являются ферменты — белки, каждый из которых является катализатором определенной биохимической реакции. Именно они могут «найти» определенную последовательность нуклеотидов ДНК, «разрезать» там молекулу, или, наоборот «заштопать» дыру в цепи ДНК. То есть, правильно подобрать фермент — значит получить желаемый результат. Еще в 70-х годах 20 века молекулярная генетика достигла определенной степени «завершенности». В этот период главными объектами исследований были микроорганизмы. Сейчас область применения генной инженерии намного шире. Значительный прогресс достигнут в области создания новых продуктов для медицинской промышленности и лечения болезней человека. Фармацевтическая промышленность в настоящее время занимает не только лидирующие позиции в мире по объему производства, но и по количеству финансовых средств, вложенных в научные исследования в области генной инженерии. В настоящее время фармацевтика включила в сферу своей деятельности выведение и производство новых сортов сельскохозяйственных растений и животных, получение химических веществ и добавок для быта 136
и строительства. Однако, основной сферой применения генной инженерии все же являются медицинские препараты. Разработка и производство генных и ДНК-вакцин — одно из приоритетных направлений мировой генной инженерии. Это связано с тем, что до настоящего времени не существует эффективных вакцин против многих опасных заболеваний. Кроме того, появляются новые, лекарственно-устойчивые формы традиционных вирусов и микроорганизмов, по сути, созданных человечеством путем искусственного отбора. При влиянии определенного препарата большинство микроорганизмов данного вида гибнет, но находятся и такие, которые выживают, благодаря какой-либо мутации (изменению генного аппарата). В последующих поколениях присутствуют уже только эти формы (остальные вымерли). Таким образом, при действии определенным «убивающим» препаратом на микроорганизмы нами создается новая их форма, устойчивая к нему. Это основной принцип выживаемости видов — нет двух абсолютно одинаковых особей, тогда в изменившихся условиях хотя бы часть из них будет способна выжить. Так человечество создавало (и создает) новые, более опасные (т. к. устойчивые к традиционным формам воздействия) заболевания, микроорганизмы, растения, насекомых-вредителей. Чтобы с ними справиться, уже нужны знания более высокого порядка, кроме этого, ведь нужно еще осознать, как вести дальнейшую борьбу, не создавая при этом еще более опасные формы. Генотерапия, как форма генной инженерии, направлена на диагностику и лечение наследственных и приобретенных (в том числе онкологических) заболеваний человека, животных, растений. В основе механизма лежит контролируемое изменение материала клеток, приводящее к исправлению наследственных и приобретенных генетических дефектов живого организма. Адресная доставка корректирующего генетического материала к клеткам-мишеням в организме, несущим в своем геноме дефектный ген, является одной из важнейших технологических задач генной инженерии, которая на сегодняшний день решена для ограниченного круга задач. Одним и камней преткновения в развитии генной инженерии стал процесс клонирования (получения генетически идентичных копий) животных. Генетическое клонирование животных, прежде всего, сельскохозяйственных, имеющих те или иные выдающиеся показатели продуктивности, безусловно, открывает заманчивые перспективы в селекции. Однако цель первых экспериментов клонирования была исключительно теоретическая – выяснить реконструктивную способность яйцеклеток после трансплантации в них ядра (гена) взрослой особи, то есть, способна ли такая яйцеклетка обеспечить полное развитие, подобно оплодотворенной. Первые попытки применения подобной методики, начиная с 80-х годов, были безуспешными. Однако в 1996 году группа шотландских исследователей под руководством Яна Уильмута, базируясь на работах американских ученых 137
Кифера, Метьюза и Фёрста, получила положительный результат, выразившийся в рождении овцы Долли (рис. 6.3), которая развилась из ооцита (яйцеклетки), у которого собственное ядро было заменено на ядро, полученное из молочной железы взрослой овцы. В теоретическом плане эта работа показала, что в процессе развития геном не претерпевает каких-либо необратимых изменений, более того, возможно репрограммирование генома. Долли умерла 14 февраля 2003 года от прогрессирующего заболевания лёгких, вызванного Рисунок 6.3 – Мумифицированные ретровирусом. Такие заболеваостанки Долли в Эдинбургском ния обычно проявляются лишь у королевском музее пожилых овец (средняя продолжительность жизни овцы 10-12 лет). Однако нет доказательств того, что ранняя смерть животного была вызвана преждевременным старением; у овец, почти постоянно содержащихся в закрытом помещении, риск этого заболевания сильно возрастает (а Долли из соображений безопасности практически не выводили пастись с другими овцами). В лаборатории генетических основ онтогенеза Института цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук были впервые получены гибридные (от разных животных) клоны клетки, после инъекции которых была получена серия химерных животных и доказана возможность переноса индивидуальных хромосом от одного животного в геном другого, этого же или близкого вида. Несмотря на исключительную теоретичность данных исследований, их опубликование вызвало живое обсуждение и серию громких общественных протестов, прежде всего в связи с клонированием человека. В растениеводстве, в условиях изменяющегося климата, а также в условиях все возрастающей потребности в продуктах питания при ограниченных ресурсах, все более актуальными становятся формы (сорта и гибриды), обладающие повышенной стойкостью к ряду заболеваний, устойчивые к вредителям, обладающие стабильно высокой урожайностью, засухоустойчивые и т. д. Технология получения таких свойств сегодня все дальше уходит от традиционной селекции в направлении генной инженерии. Практически повсеместно происходит вытеснение традиционных сельскохозяйственных растений так называемыми гетерозисными гибридами (F1-гибридами — гибридами, проявляющими определенные свойства только в первом поколении), в связи с высокой урожайностью и другими положительными свойствами. Получение таких растений базируется на таком сочетании родителей, которое только в первом поколении дает 138
определенный эффект (в следующих поколениях признак теряется, поскольку по замыслу является наследственно не устойчивым). Появление семян таких растений было бы невозможно без глубокого изучения принципов влияния на генотип. С другой стороны, невозможность получить интересующие свойства в следующих поколениях растений ставит сельскохозяйственного производителя в жесткую зависимость от производителя семян. Однако свойства таких гибридов настолько высоки, что сельхозпроизводителям практически нерентабельно использовать другие семена, несмотря на дороговизну F1-гибридов. Сегодня высокоурожайные гибриды различных фирмпроизводителей, как правило, зарубежных (преимущественно Голландия, Франция, США, Япония), выращиваются и в Украине. Растения, полученные путем гибридизации генов инородными генами (так называемые «трансгены»), отличающиеся высокой урожайностью и стойкостью к болезням и вредителям — еще один, уже пройденный этап генной инженерии. Наибольшее распространение получили генетически модифицированные соя и рапс. Последний занимает все более устойчивые позиции на сельскохозяйственных угодьях, как техническая культура, являющаяся более дешевым сырьем для производства автомобильного топлива. Соя, в свою очередь, несмотря на некоторую неуверенность мировой медицины в вопросе использования трансгенных продуктов питания, занимает одно из лидирующих мест в мире как источник белка для человека и животных. Генная инженерия является одной из самых наукоемких на сегодняшний день отраслей производства, однако эффект от уже полученных результатов таков, что ее перспективы кажутся безграничными.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Биотехнология и генная инженерия» з дисципліни «Історія інженерної діяльності»
