X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

В своей работе я раскрываю тему генной инженерии. Возможности, открываемые генетической инженерией перед человечеством, как в области фундаментальной науки, так и во многих других областях, весьма велики и нередко даже революционны.

Так, она позволяет осуществлять индустриальное массовое производство нужных белков, значительно облегчает технологические процессы для получения продуктов ферментации - энзимов и аминокислот, в будущем может применяться для улучшения растений и животных, а также для лечения наследственных болезней человека.

Таким образом, генная инженерия, будучи одними из магистральных направлений научно-технического прогресса, активно способствует ускорению решения многих задач, таких, как продовольственная, сельскохозяйственная, энергетическая, экологическая.

Но особенно большие возможности генная инженерия открывает перед медициной и фармацевтикой, поскольку применение генной инженерии может привести к коренным преобразованиям медицины.

Многие болезни, для которых в настоящее время не существует адекватных методов диагностики и лечения (раковые, сердечнососудистые, вирусные и паразитные инфекции, нервные и умственные расстройства), с помощью генной инженерии и биотехнологии станут доступны как диагностике, так и лечению.

Генная инженерия

Генетическая инжене́рия (генная инженерия) — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.

В широком смысле слова, генная инженерия не является наукой. Она является инструментом биотехнологии, совмещая в себе открытия молекулярной биологии, генетики, цитологии и других наук.

В настоящее время уровень наших знаний способствует быстрому развитию генной инженерии. Так как она позволяет переносить генетическую информацию из одного организма в другой в пределах лабораторий, то, вполне возможно, что мы сможем передавать индивидуальные наследственные признаки от одних организмов к другим.

Задачи генной инженерии:

1.создание рекомбинантных ДНК для переноса в другие клетки

2.разработка методов введения рекомбинанатной ДНК в клетку

3.создание условий для нормальной экспрессии генов , введенных в клетку

Основные направления генетической модификации организмов:

– придание устойчивости к ядохимикатам (например, к определенным гербицидам);

– придание устойчивости к вредителям и болезням (например, Bt-модификация);

– повышение продуктивности (например, быстрый рост трансгенного лосося);

– придание особых качеств (например, изменение химического состава).

Методы генной инженерии

Методы основаны на получении фрагментов исходной ДНК и их модификации.

Для получения исходных фрагментов ДНК разных организмов используется несколько способов:

– Получение фрагментов ДНК из природного материала путем разрезания исходной ДНК с помощью специфических нуклеаз (рестриктаз).

– Прямой химический синтез ДНК, например, для создания зондов (см. ниже).

– Синтез комплементарной ДНК (кДНК) на матрице мРНК с использованием фермента обратной транскриптазы (ревертазы).

Программа «Геном человека»

Проект по расшифровке генома человека (The Human Genome Project, HGP) – это глобальный научный проект, основной задачей которого было определение последовательности нуклеотидов, составляющих ДНК, и идентифицировать 20-25 тыс. генов в геноме человека.

Данный проект запустил в 1990 году Джеймс Уотсон под эгидой Национально организации здравоохранения США. Уже в 2000 году был представлен рабочий черновой вариант структуры генома, а полный геном вышел в свет в 2003 году. Однако, данный проект не прекратил свою работу. Даже в настоящие дни дополнительный анализ некоторых участков находится в доработке. Частной компанией «Celera Genomics» был одновременно запущен аналогичный проект, завершённый несколько ранее международного. Основной объём секвенирования был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Кроме очевидной фундаментальной значимости, определение структуры человеческих генов является важным шагом для разработки новых медикаментов и развития других аспектов здравоохранения.

Хотя целью проекта по расшифровке генома человека является понимание строения генома человеческого вида, проект также фокусировался и на нескольких других организмах, среди которых бактерии, в частности, Escherichia coli, насекомые, такие как мушка дрозофила, и млекопитающие, например, мышь.

Алгоритм генной инженерии

Генетический алгоритм (ГА) – это последовательность управляющих действий и операций, моделирующая эволюционные процессы на основе аналогов механизмов генетического наследования и естественного отбора. При этом сохраняется биологическая терминология в упрощенном виде.

Генетические алгоритмы представляют собой, скорее, подход, чем единые алгоритмы. Они требуют содержательного наполнения для решения каждой конкретной задачи.

На рис. 1 показан один из вариантов структуры генетического алгоритма. Вначале генерируется случайная популяция – несколько особей со случайным набором хромосом (числовых векторов). Генетический алгоритм имитирует эволюцию этой популяции как циклический процесс скрещивания особей, мутации и смены поколений (отбора).

Рис. 1 Вариант структуры генетического алгоритма

В течение жизненного цикла популяции, т. е. в результате нескольких случайных скрещиваний (посредством кроссовера) и мутаций, к ней добавляется какое-то количество новых вариантов. Далее происходит отбор, в результате которого из старой популяции формируется новая, после чего старая популяция погибает. После отбора к новой популяции опять применяются операции кроссовера и мутации, затем опять происходит отбор, и так далее.

Отбор в генетическом алгоритме тесно связан с принципами естественного отбора следующим образом:

· приспособленность особи соответствует значению целевой функции на заданном варианте;

· выживание наиболее приспособленных особей соответствует тому, что популяция следующего поколения вариантов формируется с учетом целевой функции. Чем приспособленнее особь, тем больше вероятность ее участия в кроссовере, т. е. в размножении.

Таким образом, модель отбора определяет, как следует строить популяцию следующего поколения. Как правило, вероятность участия особи в скрещивании берется пропорциональной ее приспособленности. Часто используется так называемая стратегия элитизма, при которой несколько лучших особей переходят в следующее поколение без изменений, не участвуя в кроссовере и отборе. В любом случае каждое следующее поколение будет в среднем лучше предыдущего. Когда приспособленность особей перестает заметно увеличиваться, процесс останавливают и в качестве решения задачи оптимизации берут наилучший из найденных вариантов.

Генная терапия

Концепция генной терапии существует уже на протяжении последних десятилетий. Она заключатся в том, что наиболее радикальным способом борьбы с разного рода заболеваниями, вызываемыми изменениями генетического содержания клеток, должна быть обработка, направленныая непосредственно на исправление или уничтожение самой генетической причины заболевания, а не ее следствий. Причиной может быть мутация в зародышевой линии клеток, которая передается по наследству при наследственных заболеваниях, это может быть соматическая мутация, которая вызывает, например, рак, или это может быть изменение вследствие появления в клетке чужеродного генетического материала, например, в результате вирусной инфекции. Способ же борьбы с этими генетическими изменениями заключается в искуственном введению в пострадавшую клетку новой генетической информации, призванной поправить ту, с которой связана болезнь. Эта концепция, по-видимому, появилась сразу после осознания механизмов трансформации клеток опухолеродными вирусами. Они, эти вирусы, осуществляли стабильное внедрение генетического материала в геном клетки хозяина, и поэтому тогда же было предложено использовать их, как векторы для доставки желаемой генетической информациии в геном клеток, чтобы в случае необходимости поправлять клеточные дефекты и лечить болезни генома. Однако это были только общие идеи. Предстояло решить массу технических и этических проблем, прежде чем достичь сегодняшних успехов и надежд. Серьезным уроком и предостережением послужила крайне неудачная попытка вылечить талассемию с помощью введения гена (-глобина. Это было сделано в 1980 году. Исторически генная терапия нацеливалась на лечение наследственных генетических заболеваний, но впоследствии поле ее применения, по-крайней мере теоретически, расширилось таким образом, что она стала рассматриваться, как потенциально универсальный подход к лечению практически всего спектра болезней, начиная от инфекционных, включая так называемые болезни современного общества такие как рак, атеросклероз, диабет и кончая классически генетическими, наследственными заболеваниями.

Существует несколько способов введения новой генетической информации в клетки млекопитающих. Это позволяет разрабатывать прямые методы лечения наследственных болезней - методы генотерапии.

Используют два основных подхода, различающиеся природой клеток- мишеней:

- фетальную генотерапию , при которой чужеродную ДНК вводят в зиготу или эмбрион на ранней стадии развития; при этом ожидается, что введенный материал попадет во все клетки реципиента (и даже в половые клетки, обеспечив тем самым передачу следующему поколению), и

- соматическую генотерапию , при которой генетический материал вводят только в соматические клетки и он не передается половым клеткам.

Есть и третий подход - активация собственных генов организма с целью полного или частичного преодоления действия мутантного гена. Яркий пример такого подхода - использование гидроксимочевины для активации синтеза гемоглобина F у больных с серповидноклеточной анемией и талассемиями.

Заключение

Методом генной инженерии получен уже ряд препаратов, в том числе инсулин человека и противовирусный препарат интерферон (интерферон – возможное средство лечения рака и СПИДа). И хотя эта технология еще только разрабатывается, она сулит достижение огромных успехов и в медицине, и в сельском хозяйстве. В медицине это весьма перспективный путь создания и производства вакцин. В сельском хозяйстве с помощью рекомбинантной ДНК могут быть получены сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомым-

Развитие генной инженерии сделает возможным улучшение генотипа человека. Масштабные задачи, стоящие сегодня перед человечеством требуют людей талантливых во многих отраслях, совершенных и высокоразвитых личностей, обладающих идеальным здоровьем, высочайшими физическими и умственными способностями. Таких людей можно будет создать методами генной, генетической и клеточной инженерии. Эти методы будут применимы как к только появляющимся на свет детям, так и к взрослым людям.

Таким образом, биотехнология, в совокупности с другими научными направлениями, открывает новую эру взаимодействия человека с окружающей средой и, в особенности, с живым веществом биосферы.

Список использованной литературы

Гайсинович А.Е. Зарождение генетики. - М.: Наука, 2007. – 194

Дубинин Н.П. Генетика вчера, сегодня и завтра. - М.: Наука, 2008. - 210с.

Сингер М., Берг П. Гены и геномы. — Москва, 1998.

Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. — Москва, 1981.

Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия. - Новосибирск, 2006. - 304с.

Код для цитирования: Скопировать