Какво е клетъчно инженерство? Генетичен и клетъчен инженеринг

Дълго време човек сънува, че животните, които е отглеждал, са по-големи, по-твърди и по-продуктивни. За да могат културите, отглеждани от него, да узреят в най-кратки срокове, те няма да бъдат засегнати от вредители и болести, те ще растат дори в условия на понижени температури на околната среда и отсъствие на редовни дъждове.

До известна степен всички тези планове могат да бъдат реализирани чрез подбор, но този процес е много дълъг и никой не може да гарантира, че той ще бъде напълно успешен. Освен това, този метод не помага да се комбинират в един организъм характеристиките на няколко вида наведнъж. Разбира се, ако те могат да се кръстосват естествено, то е възможно, но в други случаи човек може само да мечтае за необходимите наследствени качества.

Основна технология

Основният метод за постигане на такива резултати е клетъчното инженерство. Най-подробно всички техни техники работят върху някои микроорганизми. Като цяло, допълнителните възможности и перспективи на тази посока са просто огромни. В момента се извършва задълбочено развитие, за да се изолират отделните гени, които могат да бъдат включени в тялото. Казано по-просто, ще бъде възможно да се създадат домашни любимци и растения, които да имат строго определен набор от атрибути и да имат желания вид.

Не забравяйте, че клетъчното инженерство на микроорганизми прави възможно получаването на "мултифункционални" бактерии, които например могат да разграждат биологично полиетилена. В допълнение, модифицираните бактерии са идеален материал за производство на ваксини. Те могат да бъдат напълно безопасни (което позволява използването на "живи" лекарства) поради напълно липсващата вирулентност, но имат пълната гама антигени на техните "диви" предци.

И накрая, клетъчното инженерство на растения позволява на известния квадратни дини и лимони без костилка. За нея дължим появата на картофи, които ларвите и възрастните от колорадския бръмбар не ядат. Благодарение на генетичните изследвания се появи пшеница, която лесно дава отлична реколта на солеви (!) Почви!

Методи за клетъчно инженерство

всички растителни клетки свойството на тотипотентност е присъщо (това е, когато отделна клетка може да се развие в цял организъм). В селското стопанство това дава неограничени перспективи в експериментите за разработване на нови видове култури, които са полезни за човека. Клетъчното инженерство в животновъдството е много обещаващо. В момента учените имат богат опит в натрупването и съхранението соматични клетки различни породи животни in vitro. Особено се отнася до съхранение на материала в условия на ниски температури.

Между другото, какви са методите на инженерното развитие на животинските клетки? Нека ги обсъдим.

Ранна ембрионална сепарация

Днес методът на отделяне на ранните ембриони е особено обещаващ. Първият тласък в тази посока е даден от трансплантологията, която започва да се развива, методите на която ни позволяват да спасим голям брой получени ембриони. Като цяло, първият успешен експеримент за разделяне на ембрионален материал на етапи 2-8 е проведен от Уилард (на английски, Кеймбридж). Недостатък на този метод е неговата сложност, поради което тази операция може да се извърши само в добре оборудвана медицинска институция.

Казано по-просто, това е изключително сложна биотехнология. Клетъчното инженерство в наше време използва много по-прости методи.

Разделяне на късни зародиши

Така учените започнали да манипулират зародишния материал само в по-късните етапи (морула, бластоциста). Същността на метода е, че прозрачната зона (pellucida) първо се отваря, след което ембрионът се разделя внимателно на две. Едната половина остава на същото място, а втората част се прехвърля в предварително подготвена зона.

Дори преди няколко години, преживяемостта на ембрионите, използващи тази техника, достигна 50-60%, докато днес тази цифра наближава 80%. Основният приложен ефект е значително увеличаване на броя на телетата, получени от един производител. Не е изненадващо, че клетъчното инженерство на животни е индустрия, която не разполага с финансиране.

Първите в тези експерименти бяха американски учени. Именно те стигнаха до заключението, че ако ембрионът е лишен от прозрачна мембрана, то той оцелява в не повече от 15% от случаите, но ако персидусният слой е запазен, то скоростта на оцеляване незабавно нараства до 35% от случаите. Най-добри резултати се получават, ако всяка половина от разделения ембрион има прозрачна обвивка и всяка част се въвежда в отделен маточен рог: до 75% от ембрионите оцеляват в съвременни условия.

Но за какви цели се използва клетъчния инженеринг на практика? Какви резултати постигате с него?

Стойността на клетъчния инженеринг в развъждането

Към днешна дата тази техника все повече започва да се използва в международните племенни дела. Относително наскоро методът за получаване и въвеждане на ембриони в прасета беше успешно тестван. Изследователите смятат, че клетъчното инженерство може да позволи увеличаване на броя на потомците на едно животно с поне 30–35%. Но не забравяйте за възможността за получаване на генетични копия.

Такива животни почти си струват теглото си в злато за тези учени, които изучават взаимодействието на околната среда и генотипа. Факт е, че наличието на две абсолютно идентични индивиди дава възможност да се сведе до минимум влиянието на вътрешните фактори при изучаване на влиянието на външната среда върху организма. Освен това е възможно да се извърши клане на едно животно от двойка, в случай че за изследването са необходими данни за вътрешното състояние на организма.

Всички тези разработки са основните методи на клетъчното инженерство. Но ние забравихме да разкажем за най-важната посока на този клон на науката, свързан с изкуственото регулиране на пола на селскостопанските животни. Време е да поправим този дефект.

Методи за регулиране на пода

Със сигурност никой не би се изненадал да научи за невероятното значение на развитието в областта на изкуственото регулиране на пола в селскостопанските животни. В момента учените не могат да регулират броя на животните от един и същи пол, а дори и с признаването на пола на индивида в ранните етапи на неговото развитие, съществуват големи проблеми. Досега напредъкът в изкуственото регулиране на този показател е постигнат само много маловажно: дори и клетъчното инженерство и клониране не решават напълно този проблем.

Разбира се, в идеалния случай би било полезно просто да разделим сперматозоидите, които носят Х и Y хромозомите. Именно в тази посока трябва да се развиват научните изследвания. Друг подход (който е много по-прост и следователно се използва) е да се извлекат ранните ембриони от женската репродуктивна система, да се определи техният пол и след това да се трансплантират.

Но как се свързва клетъчното инженерство с всичко това? Всичко е съвсем просто.

Става дума само за цитологичния метод, чрез който се определя вида на ембриона XX или XY. Това се прави чрез изследване на хроматин или полови хромозоми. През последните години е установено също, че пола може да бъде установен чрез изследване на специфични антитела, които са напълно различни при жените и мъжете. Има и мнения на някои учени, които установяват полова идентичност чрез изследване на активността на глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа. Въпреки това, в момента най-ефективните цитологични и имунологични (антитела проучвания) методи.

Генно инженерство

В заглавието на тази статия не е случайно, че се използва фразата "генно-клетъчен инженеринг". Без значение колко ефективни са методите за коригиране на клетъчния материал, работата с гените винаги ще бъде много по-ефективна.

Понастоящем генетичните методи постепенно придобиват водеща роля в животновъдството и растениевъдството в целия свят. Благодарение на тях развъдната работа е достигнала фундаментално различно ниво: отсега нататък учените не могат просто да познаят какви качества ще имат индивидите, които създават, но знаят със сигурност.

Трябва незабавно да се отбележи, че всичко не е толкова добро. Има някои ограничения. Факт е, че само генетичен материал на бикове, който може да подобри тяхното потомство (подобрители), е позволен за генетична манипулация. Единственият проблем е, че такива животни днес са изключително малки. В допълнение, програми, насочени към изкореняване на същия мастит, досега не са дадени видими резултати. Казано по-просто, генното и клетъчното инженерство далеч не е панацея.

Самите методи на инженерство започнаха да се появяват в една единствена система едва от 50-те години на миналия век. Така, едно от основните работи, което постави основата на този клон на науката, стана експерименти по трансплантацията на клетъчни ядра по метода на Бригс и Кинг. Първо, успешно извършване на тази операция е получена изключително на жаби. В момента се провеждат успешни експерименти за трансплантация на генетичен материал дори при мишки и по-големи бозайници.

Съвсем наскоро учените са създали метод за прехвърляне на ядрото след сливането на кариопластите. Освен това, методите на генетично и клетъчно инженерство сега позволяват създаването на химерични организми, основани на различни видове мекопитат.

Скоро Гарднер разработи принципно нов метод, при който се извършва имплантирането на бластомери в бластоцистите на реципиента. Бътлър тази техника е разработена успешно при лабораторни мишки. Именно въз основа на тези разработки за първи път са получени химери, основаващи се на тялото на овцете.

Всички описани по-горе произведения постепенно подготвят световната селскостопанска наука за широкото въвеждане на методи за генно инженерство. Най-често срещаният метод днес е прехвърлянето на генния материал в култивираните клетки и последващото им въвеждане в бластоциста.

Но преди да разберем някои аспекти на тази технология, си струва да отговорим на важен въпрос. По-точно, за да обсъдим разликата между генното инженерство и клетъчната. Тук всичко е съвсем просто: ако в първия случай учените работят директно с генетичен материал, тогава, когато се използват „клетъчни“ методи, се взимат цели органоиди и участъци от клетки, които се имплантират в материала на получателя.

Разширено определение

И така, каква е същността на генното инженерство? В средата на 70-те години на миналия век учените направиха сензационно откритие. Те открили, че някои микробни ензими могат да се режат ДНК молекула на правилното място. Казано по-просто, имаше уникална възможност да се получи генетичен материал със строго определени свойства.

И накрая, изследователите са били в състояние да идентифицират някои гени с най-висока точност, както и да ги клонират, ако е необходимо. Какви принципи се ръководят учените в работата си? Като цяло има само две от тях:

• Генът трябва да има ясна характеристика, която трябва да бъде открита.
• Избраният генетичен материал се изисква да се прикрепи към носителя (например вирус), който ще произведе неговата трансплантация.

Казано по-просто, избраният ген от тялото на донора трябва да бъде прехвърлен в тялото на реципиента, за което той е непознат. Основното в работата на изследователите е не само да се постигне присаждане, но и да се създадат условия, при които тя обикновено се възпроизвежда.

Работа със зигота

Въпреки това, през последните години техниката е не по-малко разпространена, в която чуждоземните гени се инжектират в пронуклеуса на животинските зиготи. За първи път този метод е тестван върху ооцити от езерни жаби: първо, те са въвели определена ДНК и учените веднага забелязали интеграция и транскрипция. През 1981 г. за първи път беше проведен интересен експеримент, по време на който в мишата зигота бе въведен генът на гама глобулин.

В този случай генът имаше вид на дълъг геномен тандем, съдържащ стабилни региони. Любопитно е, че те са правилно транскрибирани само при условие, че изобщо не съдържат никакви плазмидни компоненти. Проявлението на гените, които са вмъкнати с този метод, е изследвано много подробно в лабораторните мишки.

Една година преди експериментите с мишата зигота, през 1980 г. пронуклеусът на същата зигота на мишка беше поставен върху плазмида pBR322, който съдържаше фрагменти от SK40 и HSV вируси. В резултат на това, вирусната ДНК беше открита в три мишки от 78 индивида, участвали в експеримента. Странно, но с инжектирането на човешки гамаглобулинов ген, неговата интеграция вече се наблюдава при пет мишки от 33 индивида (повече от 15%). Този опит дори доказва, че създаването на химерични организми, които да комбинират характеристиките на няколко вида едновременно, е доста реалистично.

Бринстър и неговите последователи с ученици са трансплантирани в пронуклеусите на зиготите на мишки със специално подготвен конструкт, който включва миши металотионеин, както и генът на тимидин киназата. В този случай пълната интеграция е отбелязана вече при 17% от лабораторните животни.

Основни констатации

В момента генното инженерство най-накрая се е превърнало в обещаващ, обсъждан отрасъл на науката. Почти всеки знае за това. Но какви са задачите на клетъчния инженеринг и работата с генетичен материал? О, те са много разнообразни.

Първо, учените от целия свят са изправени пред задачата за умиротворяване, намаляване на глада по цялата планета. Методите за генетично и клетъчно инженерство позволяват да се създадат такива видове растения и животински видове, чиято продуктивност ще бъде десет пъти по-висока от тази на дивите им предци.

Второ, този научен отрасъл може би ще може да преодолее проблемите на преждевременното стареене и други генетични заболявания, за които днес няма нито едно лекарство. И накрая, генетичното инженерство със сигурност ще ни позволи да удължим живота до голяма степен!

Експертите казват, че методите на генното инженерство в близко бъдеще не само ще диагностицират генетични заболявания (например синдрома на Даун, например) при изключително ранна бременност, но и ефективно ги третират!