Що таке клітинна інженерія? Генна та клітинна інженерія
З давніх пір людина мріяв про те, щоб розводяться їм тварини були більше, витривалішими і продуктивніше. Щоб вирощувані їм сільськогосподарські культури визрівали в найкоротші терміни, що не дивувалися шкідниками та хворобами, росли навіть в умовах знижених температур навколишнього повітря і відсутності регулярних дощів.
В якійсь мірі всі ці плани вдавалося втілити в життя завдяки селекції, але процес цей досить тривалий, та й гарантії повного успіху дати ніхто не зможе. Крім того, цей метод ніяк не допоможе поєднати в одному організмі риси відразу декількох видів. Звичайно, якщо вони можуть схрещуватися природним шляхом, то це можливо, але в інших випадках про необхідні спадкових якостях можна тільки мріяти.
Основні технології
Основним методом досягнення таких результатів є клітинна інженерія. Найбільш детально всі її прийоми відпрацьовані на деяких мікроорганізмах. Взагалі, подальші можливості та перспективи даного напрямку попросту неосяжні. На даний момент ведуться поглиблені розробки по виділенню окремих генів, які і можна вбудовувати в організм. Простіше кажучи, можна буде створювати домашніх тварин і рослини, які б володіли строго певним набором ознак і мали необхідний зовнішній вигляд.
Не варто забувати і про те, що клітинна інженерія мікроорганізмів зробила реальним отримання «багатофункціональних» бактерій, які, наприклад, можуть біологічним шляхом розкладати поліетилен. Крім того, модифіковані бактерії - ідеальний матеріал для виробництва вакцин. Вони цілком можуть бути абсолютно безпечними (що дозволяє застосовувати «живі» препарати) через повністю відсутньою вірулентності, але володіти всім набором антигенів своїх «диких» предків.
Нарешті, саме клітинна інженерія рослин дозволила вивести знамениті квадратні кавуни і лимони без кісточок. Саме їй ми зобов'язані появі картоплі, яка не поїдають личинки і дорослі особини колорадського жука. Саме завдяки генетичним дослідженням з'явилася пшениця, яка з легкістю дає відмінний урожай на засолених (!) Грунтах!
Методи клітинної інженерії
Всім рослинним клітинам властиво властивість тотіпотентності (це коли окрема клітина може розвинутися в цілий організм). У сільському господарстві це дає необмежені перспективи в експериментах з виведення нових видів корисних людині культур. Дуже перспективна клітинна інженерія в тваринництві. В даний час учені мають величезний досвід з накопичення та зберігання соматичних клітин різноманітних порід тварин in vitro. Особливо це стосується зберігання матеріалу в умовах низьких температур.
До речі, а які існують методи клітинної інженерії тварин? Давайте їх обговоримо.
Поділ ембріонів на ранніх стадіях
На сьогоднішній день особливо перспективний метод поділу ранніх ембріонів. Перший поштовх цьому напрямку дала почала розвиватися трансплантологія, методи якої дозволили зберігати велику кількість отриманих ембріонів. Взагалі, перший вдалий досвід з розділення зародкового матеріалу на стадії 2-8 був проведений Виллардом (в англійському Кембріджі). Недолік такого методу в його трудомісткості, через що дана операція може бути виконана тільки в умовах добре оснащеного медичного закладу.
Простіше кажучи, це надзвичайно складна біотехнологія. Клітинна інженерія в наш час використовує куди більш прості методи.
Пізніше поділ зародків
Так, вчені почали маніпулювати зародковим матеріалом тільки на більш пізніх стадіях (морула, Бласто-циста). Суть методу полягає в тому, що спершу розкривається прозора зона (pellucida), після чого ембріон акуратно розділяється надвоє. Одна половинка залишається на колишньому місці, в той час як друга частина переносять у заздалегідь підготовлену зону.
Навіть кілька років тому виживаність ембріонів при використанні цієї методики досягала 50-60%, тоді як на сьогоднішній день цей показник наближається вже до 80%. Основний прикладної ефект - значне збільшення кількості телят, одержуваних від одного виробника. Не дивно, що клітинна інженерія тварин - галузь, яка не відчуває нестачі у фінансуванні.
Першими в цих дослідах були американські вчені. Саме вони зробили висновок, що якщо позбавити ембріон прозорої оболонки, то він виживає не більше ніж в 15% випадків, але якщо шар пеллюціда зберегти, то виживаність відразу збільшується до 35% випадків. Найбільш оптимальні результати виходять у тому випадку, якщо у кожної половинки розділеного ембріона є прозора оболонка і кожну частину вводять в окремий ріг матки: в сучасних умовах виживає до 75% ембріонів.
Але для яких цілей використовується клітинна інженерія на практиці? Які результати отримують з її допомогою?
Значення клітинної інженерії у племінній справі
На сьогоднішній день ця методика все більш активно починає використовуватися в міжнародному племінну справу. Порівняно недавно була успішно випробувана методика отримання та впровадження ембріонів у свиней. Дослідники вважають, що клітинна інженерія може дозволити збільшити кількість нащадків однієї тварини мінімум на 30-35%. Але не варто забувати і про можливість отримання генетичних копій.
Такі тварини чи не на вагу золота для тих учених, які вивчають взаємодію навколишнього середовища і генотипу. Справа в тому, що наявність двох абсолютно однакових особин дозволяє звести до мінімуму вплив внутрішніх факторів при вивченні впливу зовнішнього середовища на організм. Крім того, можна проводити забій однієї тварини з пари в тому випадку, якщо для дослідження потрібні дані про внутрішній стан організму.
Всі ці розробки - основні методи клітинної інженерії. Але ми забули розповісти про найважливішому напрямі цієї галузі наук, пов'язаному зі штучною регуляцією статі сільськогосподарських тварин. Пора виправити цей недолік.
Методи регуляції статі
Напевно ніхто не здивується, дізнавшись про неймовірну важливість розробок в області штучного регулювання статі у сільськогосподарських тварин. В даний час вчені не можуть регулювати чисельність тварин однієї статі, та й з впізнавання статевої приналежності особини на ранніх етапах її розвитку існують великі проблеми. Поки що прогрес у справі штучної регуляції цього показника досягнуто лише дуже незначний: навіть клітинна інженерія та клонування не дозволяють до кінця вирішити цю проблему.
Звичайно ж, в ідеалі варто було б попросту розділяти спермии, які несуть Х-і У-хромосоми. Саме в цьому напрямку і повинні розвиватися дослідження. Інший підхід (який куди простіше, а тому використовується) полягає в тому, щоб отримувати ранні ембріони з репродуктивної системи самок, визначати їх стать, а потім проводити їх трансплантацію.
Але як до всього цього ставляться методи клітинної інженерії? Все досить просто.
Вся справа в цитологічному методі, за допомогою якого визначають тип ембріона XX або XY. Робиться це за допомогою вивчення хроматину або ж статевих хромосом. В останні роки також з'ясовано, що з'ясувати підлогу можна, вивчивши специфічні антитіла, які у самок і самців абсолютно різні. Є також думки деяких учених, що встановити гендерну приналежність можна, вивчивши активність глюкозо-6-фосфат-дегідрогенази. Втім, в даний час найбільш ефективні цито-логічний та імунологічний (вивчення антитіл) методи.
Генна інженерія
У назві даної статті невипадково використовується словосполучення "генна та клітинна інженерія". Якими б ефективними не були методи корекції клітинного матеріалу, робота безпосередньо з генами завжди буде набагато ефективнішою.
В даний час саме генетичні методи поступово завойовують лідируючу роль у тваринництві та рослинництві усього світу. Завдяки їм селекційна робота вийшла на принципово інший рівень: відтепер вчені можуть не просто припускати, якими саме якостями буде володіти створювана ними особина, але знати це напевно.
Потрібно відразу помітити, що все не так вже й добре. Є деякі обмеження. Справа в тому, що до генетичних маніпуляцій допускається тільки генетичний матеріал биків, які можуть покращувати своє потомство (покращувачі). Проблема тільки в тому, що таких тварин на сьогоднішній день надзвичайно мало. Крім того, програми, спрямовані на викорінення того ж маститу, поки що видимих результатів не дають. Простіше кажучи, генна та клітинна інженерія - далеко не панацея.
Самі ж методи інженерії стали складатися в єдину систему лише з 50-х років минулого століття. Так, однією з основних робіт, які і поклали початок даної галузі науки, стали досліди з пересадки клітинних ядер за методом Брігса і Кінга. Спершу вдало здійснити дану операцію виходило виключно на жабах. В даний час проводяться вдалі досліди з пересадки генетичного матеріалу навіть у мишей і більше великих ссавців.
Порівняно недавно вченими був створений метод перенесення ядра після злиття каріопласти. Крім того, методи генної та клітинної інженерії вже зараз дозволяють створювати химерні організми на основі різних видів мекопітающіх.
Гарднером незабаром був розроблений принципово новий метод, при якому проводиться імплантація бластомеров в бластоцисти реципієнта. Бутлером дана методика була успішно відпрацьована на лабораторних мишах. Саме на підставі даних розробок вперше були отримані химери на основі організму овець.
Всі описані вище роботи поступово готували світову сільськогосподарську науку до широкого впровадження методів генної інженерії. Найбільш поширеним методом на сьогоднішній день є перенесення генного матеріалу в культивовані клітини з подальшим їх внесенням до бластоцисту.
Але перед тим як ми розберемося з деякими аспектами цієї технології, варто відповісти на важливе питання. Точніше, обговорити відміну генної інженерії від клітинної. Загалом-то, тут все досить просто: якщо в першому випадку вчені оперують безпосередньо генетичним матеріалом, то при використанні «клітинних» методів для роботи беруться цілі органели і ділянки клітин, які імплантуються в матеріал реципієнта.
Розгорнуте визначення
Так в чому полягає суть генної інженерії? У середині 70-х років минулого століття вчені зробили сенсаційне відкриття. Вони з'ясували, що деякі мікробні ферменти здатні розрізати молекулу ДНК в необхідному місці. Простіше кажучи, з'явилася унікальна можливість отримувати генетичний матеріал зі строго заданими властивостями.
Нарешті дослідники змогли з високою точністю ідентифікувати певні гени, а також клонувати їх у разі потреби. Якими принципами керуються вчені в своїй роботі? Загалом-то, їх всього два:
- Ген повинен мати якусь чітку характеристику, яку і належить детектувати.
- Виділений генетичний матеріал потрібно прикріпити до переносники (вірусу, наприклад), який і справить його трансплантацію.
Простіше кажучи, виділений ген з організму донора потрібно перенести в організм реципієнта, для якого він є чужим. Головне в роботі дослідників - не просто домогтися його приживлення, а й створити такі умови, при яких він буде нормально реплицироваться.
Робота з зиготою
Втім, в останні роки не менше поширення отримала методика, при якій чужорідні гени ін'єктують в пронуклеус зиготи тварин. Вперше цей спосіб був апробований на ооцитах озерних жаб: спершу в них вводилася певна ДНК, причому вченими відразу були відзначені інтеграція та транскрипція. У 1981 році вперше був проведений цікавий експеримент, в ході якого ген гаммаглобулина кролика був внесений до зиготу миші.
Ген при цьому мав вигляд довгого геномного тандему, що містить стабільні ділянки. Цікаво, але правильно транскрібірова-лись вони тільки за тієї умови, якщо в них абсолютно не було плазмідних компонентів. Прояв генів, які були вбудовані з використанням цього методу, було докладним чином вивчено на лабораторних мишах.
За один рік до експериментів з зиготою миші, в 1980 році, в пронуклеус все тієї ж мишачої зиготи помістили плазмиду pBR322, в якій містилися фрагменти вірусів SK40 і HSV. В результаті ДНК вірусу була знайдена у трьох мишей з 78 особин, які брали участь в експерименті. Як не дивно, але при ін'єкції гена гаммаглобулина людини його інтеграція спостерігалася вже у п'яти мишей з 33 особин (більше 15%). Цей досвід вже тоді довів, що створення химерних організмів, які б поєднували в собі риси відразу декількох видів, цілком реально.
Брінстер і його послідовники з учнями справили трансплантацію в пронуклеуси зигот мишей спеціально підготовленої конструкції, до складу якої входив металлотіонеінов миші, а також ген тимідинкінази. У цьому випадку повна інтеграція була відзначена вже у 17% лабораторних тварин.
Основні висновки
В даний час генна інженерія нарешті стала перспективною, обговорюваної галуззю науки. Про це знають практично всі. Але в чому ж полягають завдання клітинної інженерії та роботи з генетичним матеріалом? О, вони досить різноманітні.
По-перше, перед вченими всього світу стоїть завдання упокорення, зниження голоду на всій планеті. Методи генної та клітинної інженерії роблять цілком реальним створення таких сортів рослин і видів тварин, продуктивність яких буде в десятки разів перевищувати таку у їх диких предків.
По-друге, ця наукова галузь, можливо, виявиться здатна перемогти проблеми передчасного старіння та інших генетичних захворювань, від яких на сьогоднішній день не існує жодного ліки. Нарешті, саме генна інженерія коли-небудь напевно дозволить значною мірою продовжувати життя!
Фахівці кажуть, що саме методи генної інженерії вже в найближчому майбутньому дозволять не тільки діагностувати на гранично ранніх термінах вагітності генетичні хвороби (синдром Дауна, наприклад), а й ефективно їх лікувати!
