heim » Innenarchitektur » Genetik Gentechnik. Biologie, Gentechnik. Anwendung in der wissenschaftlichen Forschung

Genetik Gentechnik. Biologie, Gentechnik. Anwendung in der wissenschaftlichen Forschung

Es ist schwierig, in der modernen Welt einen Menschen zu finden, der nichts über die Erfolge der Gentechnik gehört hat.

Heute ist es eine der vielversprechendsten Möglichkeiten, die Biotechnologie zu entwickeln, die landwirtschaftliche Produktion, die Medizin und eine Reihe anderer Industrien zu verbessern.

Was ist Gentechnik?

Bekanntlich werden die erblichen Merkmale eines Lebewesens in jeder Zelle des Körpers in Form einer Reihe von Genen aufgezeichnet – Elementen komplexer Proteinmoleküle. Durch die Einführung eines fremden Gens in das Genom eines Lebewesens können Sie die Eigenschaften des resultierenden Organismus verändern, und zwar in die gewünschte Richtung: die Pflanze widerstandsfähiger gegen Frost und Krankheiten machen, der Pflanze neue Eigenschaften verleihen usw.

Organismen, die als Ergebnis einer solchen Veränderung entstehen, werden als genetisch verändert oder transgen bezeichnet, und die wissenschaftliche Disziplin, die sich mit der Untersuchung von Veränderungen und der Entwicklung transgener Technologien beschäftigt, wird Gentechnik oder Gentechnik genannt.

Objekte der Gentechnik

Die häufigsten Objekte für die gentechnische Forschung sind Mikroorganismen, Pflanzenzellen und niedere Tiere, aber auch Säugetierzellen und sogar Zellen des menschlichen Körpers werden erforscht. Direkter Forschungsgegenstand ist in der Regel ein von anderen Zellsubstanzen gereinigtes DNA-Molekül. Mithilfe von Enzymen wird die DNA in einzelne Abschnitte gespalten. Dabei ist es wichtig, den gewünschten Abschnitt erkennen, isolieren, mithilfe von Enzymen übertragen und in die Struktur anderer DNA integrieren zu können.

Moderne Techniken ermöglichen es bereits, Abschnitte des Genoms völlig frei zu manipulieren, den gewünschten Abschnitt der Erbkette zu vervielfachen und ihn anstelle eines anderen Nukleotids in die DNA des Empfängers einzufügen. Es wurden zahlreiche Erfahrungen gesammelt und umfangreiche Informationen über die Gesetzmäßigkeiten der Struktur erblicher Mechanismen gesammelt. In der Regel unterliegen landwirtschaftliche Pflanzen Transformationen, wodurch die Produktivität von Grundnahrungspflanzen bereits deutlich gesteigert werden konnte.

Warum ist Gentechnik nötig?

Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts waren traditionelle Methoden für Wissenschaftler nicht mehr geeignet, da diese Richtung eine Reihe gravierender Einschränkungen aufweist:

es ist unmöglich, nicht verwandte Arten von Lebewesen zu kreuzen;
der Prozess der Rekombination genetischer Merkmale bleibt unkontrollierbar und die notwendigen Eigenschaften der Nachkommen entstehen durch zufällige Kombinationen, während ein sehr großer Prozentsatz der Nachkommen als erfolglos gilt und bei der Selektion verworfen wird;
Es ist unmöglich, die gewünschten Qualitäten beim Überqueren genau anzugeben;
Der Züchtungsprozess dauert Jahre und sogar Jahrzehnte.

Der natürliche Mechanismus zur Erhaltung erblicher Merkmale ist äußerst stabil, und selbst das Auftreten von Nachkommen mit den gewünschten Eigenschaften garantiert nicht die Erhaltung dieser Merkmale in nachfolgenden Generationen.

Die Gentechnik ermöglicht es uns, alle oben genannten Schwierigkeiten zu überwinden. Mit Hilfe transgener Technologien ist es möglich, Organismen mit bestimmten Eigenschaften zu schaffen, indem einzelne Abschnitte des Genoms durch andere Abschnitte von Lebewesen anderer Arten ersetzt werden. Gleichzeitig wird die Zeit, die zur Schaffung neuer Organismen benötigt wird, deutlich verkürzt. Es ist nicht notwendig, die notwendigen Merkmale zu fixieren und sie vererbbar zu machen, da es jederzeit möglich ist, die nächsten Chargen genetisch zu verändern und so den Prozess buchstäblich in Gang zu setzen.

Phasen der Schaffung eines transgenen Organismus

Isolierung eines isolierten Gens mit den gewünschten Eigenschaften. Dafür gibt es heute recht zuverlässige Technologien, es gibt sogar speziell vorbereitete Genbibliotheken.
Einfügen eines Gens in einen Vektor zur Übertragung. Dazu wird ein spezielles Konstrukt erstellt – ein Transgen mit einem oder mehreren DNA-Abschnitten und regulatorischen Elementen, das in das Vektorgenom eingefügt und einer Klonierung mithilfe von Ligasen und Restriktionsenzymen unterzogen wird. Als Vektor werden meist zirkuläre bakterielle DNA – Plasmide – verwendet.
Einbau des Vektors in den Körper des Empfängers. Dieser Prozess ist einem ähnlichen natürlichen Prozess des Einschleusens der DNA eines Virus oder Bakteriums in Wirtszellen nachempfunden und funktioniert auf die gleiche Weise.
Molekulares Klonen. In diesem Fall teilt sich die veränderte Zelle erfolgreich und produziert viele neue Tochterzellen, die das veränderte Genom enthalten und Proteinmoleküle mit bestimmten Eigenschaften synthetisieren.
GVO-Auswahl. Die letzte Phase unterscheidet sich nicht von der gewöhnlichen Zuchtarbeit.

Ist Gentechnik sicher?

Sowohl in der wissenschaftlichen Gemeinschaft als auch in wissenschaftsfernen Medien wird regelmäßig die Frage aufgeworfen, wie sicher transgene Technologien sind. Darauf gibt es noch keine eindeutige Antwort.

Erstens bleibt die Gentechnik ein relativ neues Gebiet der Biotechnologie, und es liegen noch keine Statistiken vor, die objektive Rückschlüsse auf dieses Problem ermöglichen.

Zweitens könnten die enormen Investitionen multinationaler Lebensmittelkonzerne in die Gentechnik ein weiterer Grund für den Mangel an ernsthafter Forschung sein.

Die Gesetzgebung vieler Länder hat jedoch Vorschriften eingeführt, die Hersteller dazu verpflichten, das Vorhandensein von GVO-Produkten auf der Verpackung von Produkten der Lebensmittelgruppe anzugeben. Auf jeden Fall hat die Gentechnik bereits die hohe Wirksamkeit ihrer Technologien bewiesen und ihre Weiterentwicklung verspricht den Menschen noch mehr Erfolge und Erfolge.

Die Gentechnik dient dazu, die gewünschten Eigenschaften eines veränderlichen oder gentechnisch veränderten Organismus zu erreichen. Im Gegensatz zur herkömmlichen Selektion, bei der der Genotyp nur indirekt Veränderungen unterliegt, ermöglicht die Gentechnik mithilfe der Technik des molekularen Klonens einen direkten Eingriff in den genetischen Apparat. Beispiele für die Anwendung der Gentechnik sind die Produktion neuer gentechnisch veränderter Getreidesorten, die Produktion von Humaninsulin mithilfe gentechnisch veränderter Bakterien, die Produktion von Erythropoetin in Zellkulturen oder die Neuzüchtung von Versuchsmäusen für wissenschaftliche Forschung.

Es werden erste Experimente zum Einsatz von Bakterien mit umgeordneter DNA zur Behandlung von Patienten durchgeführt.

Die Grundlage der mikrobiologischen, biosynthetischen Industrie ist die Bakterienzelle. Die für die industrielle Produktion notwendigen Zellen werden nach bestimmten Merkmalen ausgewählt, von denen das wichtigste die Fähigkeit ist, eine bestimmte Verbindung – eine Aminosäure oder ein Antibiotikum, ein Steroidhormon oder eine organische Säure – in größtmöglichen Mengen zu produzieren und zu synthetisieren . Manchmal braucht man einen Mikroorganismus, der beispielsweise Öl oder Abwasser als „Nahrung“ nutzen und in Biomasse oder sogar Protein verarbeiten kann, das sich gut für Futtermittelzusätze eignet. Manchmal brauchen wir Organismen, die sich bei erhöhten Temperaturen oder in Gegenwart von Substanzen entwickeln können, die für andere Arten von Mikroorganismen sicherlich tödlich sind.

Die Aufgabe, solche industriellen Stämme zu gewinnen, ist sehr wichtig; für ihre Modifikation und Selektion wurden zahlreiche Methoden zur aktiven Beeinflussung der Zelle entwickelt – von der Behandlung mit starken Giften bis hin zur radioaktiven Bestrahlung. Das Ziel dieser Techniken ist es, Veränderungen im erblichen, genetischen Apparat der Zelle zu erreichen. Ihr Ergebnis ist die Produktion zahlreicher mutierter Mikroben, aus denen Wissenschaftler dann versuchen, aus Hunderten und Tausenden die für einen bestimmten Zweck am besten geeigneten auszuwählen. Die Entwicklung von Techniken zur chemischen Mutagenese oder Strahlenmutagenese war eine herausragende Errungenschaft der Biologie und wird in der modernen Biotechnologie häufig eingesetzt.

Ihre Fähigkeiten sind jedoch durch die Natur der Mikroorganismen selbst begrenzt. Sie sind nicht in der Lage, eine Reihe wertvoller Stoffe zu synthetisieren, die sich in Pflanzen, vor allem in Heil- und ätherischen Ölpflanzen, anreichern. Sie können keine Substanzen synthetisieren, die für das Leben von Tieren und Menschen sehr wichtig sind, eine Reihe von Enzymen, Peptidhormonen, Immunproteinen, Interferonen und viele einfachere Verbindungen, die im Körper von Tieren und Menschen synthetisiert werden. Natürlich sind die Möglichkeiten der Mikroorganismen noch lange nicht ausgeschöpft. Von der gesamten Fülle an Mikroorganismen wurde nur ein winziger Bruchteil von der Wissenschaft und insbesondere von der Industrie genutzt. Für die Auswahl von Mikroorganismen sind beispielsweise anaerobe Bakterien, die in Abwesenheit von Sauerstoff leben können, phototrophe Bakterien, die Lichtenergie wie Pflanzen nutzen, chemoautotrophe Bakterien und thermophile Bakterien, die bei Temperaturen von etwa 100 % leben können, von großem Interesse 110°C usw.

Und doch sind die Grenzen des „natürlichen Materials“ offensichtlich. Mit Hilfe von Zell- und Gewebekulturen von Pflanzen und Tieren versuchten und versuchen sie, die Beschränkungen zu umgehen. Dies ist ein sehr wichtiger und vielversprechender Weg, der auch in der Biotechnologie umgesetzt wird. In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler Methoden entwickelt, mit denen einzelne Gewebezellen einer Pflanze oder eines Tieres wie Bakterienzellen getrennt vom Körper wachsen und sich vermehren können. Dies war eine wichtige Errungenschaft: Die so gewonnenen Zellkulturen werden für Experimente und für die industrielle Produktion bestimmter Substanzen verwendet, die mit Bakterienkulturen nicht gewonnen werden können.

Eine weitere Forschungsrichtung ist die Entfernung von Genen aus der DNA, die für die Kodierung von Proteinen und das Funktionieren von Organismen unnötig sind, sowie die Schaffung künstlicher Organismen mit einem „verkürzten Satz“ von Genen auf der Grundlage dieser DNA. Dadurch ist es möglich, die Resistenz veränderter Organismen gegenüber Viren drastisch zu erhöhen.

Entwicklungs- und Methodengeschichte

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden mehrere wichtige Entdeckungen und Erfindungen gemacht, die dem zugrunde liegenden Gentechnik. Langjährige Versuche, die in Genen „geschriebenen“ biologischen Informationen zu „lesen“, wurden erfolgreich abgeschlossen. Diese Arbeit wurde von dem englischen Wissenschaftler Frederick Sanger und dem amerikanischen Wissenschaftler Walter Gilbert (Nobelpreis für Chemie 1980) begonnen. Gene enthalten bekanntlich Informationsanweisungen für die Synthese von RNA-Molekülen und Proteinen, einschließlich Enzymen, im Körper. Um eine Zelle dazu zu zwingen, für sie ungewöhnliche neue Substanzen zu synthetisieren, ist es notwendig, dass in ihr die entsprechenden Enzymsätze synthetisiert werden. Und dazu ist es notwendig, entweder die darin befindlichen Gene gezielt zu verändern oder neue, bisher fehlende Gene einzuführen. Veränderungen in Genen in lebenden Zellen sind Mutationen. Sie entstehen beispielsweise unter dem Einfluss von Mutagenen – chemischen Giften oder Strahlung. Aber solche Veränderungen können nicht kontrolliert oder gesteuert werden. Daher haben Wissenschaftler ihre Bemühungen darauf konzentriert, Methoden zu entwickeln, um neue, sehr spezifische Gene, die der Mensch benötigt, in Zellen einzuführen.

Alle Methoden der Gentechnik Gentechnische Techniken ) werden verwendet, um eine der folgenden Phasen der Lösung eines gentechnischen Problems umzusetzen:

Erhalten eines isolierten Gens.
Einführung eines Gens in einen Vektor zur Übertragung in den Körper.
Übertragung eines Vektors mit einem Gen in den veränderten Organismus.
Transformation von Körperzellen.
Auswahl gentechnisch veränderter Organismen ( GVO) und Eliminieren derjenigen, die nicht erfolgreich geändert wurden.

Der Prozess der Gensynthese ist mittlerweile sehr weit entwickelt und sogar weitgehend automatisiert. Es gibt spezielle Geräte, die mit Computern ausgestattet sind, in deren Speicher Programme zur Synthese verschiedener Nukleotidsequenzen gespeichert sind. Dieses Gerät synthetisiert DNA-Segmente mit einer Länge von bis zu 100–120 Stickstoffbasen (Oligonukleotide). Eine Technik hat sich weit verbreitet, die es ermöglicht, die Polymerase-Kettenreaktion für die Synthese von DNA, einschließlich mutierter DNA, zu nutzen. Darin wird ein thermostabiles Enzym, die DNA-Polymerase, zur Matrizen-DNA-Synthese eingesetzt, bei der künstlich synthetisierte Nukleinsäurestücke – Oligonukleotide – als Keime dienen. Das Enzym Reverse Transkriptase ermöglicht mit solchen Primern die Synthese von DNA auf einer aus Zellen isolierten RNA-Matrize. Die so synthetisierte DNA wird komplementäre DNA (RNA) oder cDNA genannt. Ein isoliertes, „chemisch reines“ Gen kann auch aus einer Phagenbibliothek gewonnen werden. Dies ist der Name eines Bakteriophagenpräparats, in dessen Genom zufällige Fragmente des Genoms oder der cDNA eingebaut werden, die vom Phagen zusammen mit seiner gesamten DNA reproduziert werden.

Die Technik der Einführung von Genen in Bakterien wurde entwickelt, nachdem Frederick Griffith das Phänomen der bakteriellen Transformation entdeckt hatte. Dieses Phänomen basiert auf einem primitiven sexuellen Prozess, der in Bakterien mit dem Austausch kleiner Fragmente nicht-chromosomaler DNA, Plasmiden, einhergeht. Plasmidtechnologien bildeten die Grundlage für die Einführung künstlicher Gene in Bakterienzellen.

Mit der Einführung eines vorgefertigten Gens in den Erbapparat pflanzlicher und tierischer Zellen waren erhebliche Schwierigkeiten verbunden. In der Natur gibt es jedoch Fälle, in denen fremde DNA (eines Virus oder Bakteriophagen) in den genetischen Apparat einer Zelle aufgenommen wird und mit Hilfe ihrer Stoffwechselmechanismen beginnt, „ihr“ Protein zu synthetisieren. Wissenschaftler untersuchten die Besonderheiten der Einführung fremder DNA und nutzten sie als Prinzip für die Einführung von genetischem Material in eine Zelle. Dieser Vorgang wird Transfektion genannt.

Wenn einzellige Organismen oder mehrzellige Zellkulturen einer Veränderung unterliegen, beginnt in dieser Phase das Klonen, also die Selektion der veränderten Organismen und ihrer Nachkommen (Klone). Wenn es darum geht, mehrzellige Organismen zu gewinnen, werden Zellen mit verändertem Genotyp zur vegetativen Vermehrung von Pflanzen verwendet oder bei Tieren in die Blastozysten einer Leihmutter eingebracht. Dadurch werden Jungtiere mit einem veränderten oder unveränderten Genotyp geboren, von denen nur diejenigen ausgewählt und miteinander gekreuzt werden, die die erwarteten Veränderungen aufweisen.

Anwendung in der wissenschaftlichen Forschung

Wenn auch in kleinem Maßstab, wird Gentechnik bereits eingesetzt, um Frauen mit einigen Arten von Unfruchtbarkeit eine Chance auf eine Schwangerschaft zu geben. Hierzu werden Eizellen einer gesunden Frau verwendet. Dadurch erbt das Kind den Genotyp von einem Vater und zwei Müttern.

Allerdings birgt die Möglichkeit, größere Veränderungen am menschlichen Genom vorzunehmen, eine Reihe schwerwiegender ethischer Probleme. Im Jahr 2016 erhielt eine Gruppe von Wissenschaftlern in den Vereinigten Staaten die Genehmigung für klinische Studien einer Methode zur Behandlung von Krebs unter Verwendung der eigenen Immunzellen des Patienten, die einer genetischen Veränderung mithilfe der CRISPR/Cas9-Technologie unterzogen wurden.

Ende 2018 wurden in China zwei Kinder geboren, deren Genom im Rahmen der seit 2016 durchgeführten Forschung zur HIV-Bekämpfung im Embryonalstadium mit der CRISPR/Cas9-Methode künstlich verändert wurde (das CCR5-Gen wurde ausgeschaltet). Eines davon Die Eltern (Vater) waren HIV-infiziert und die Kinder kamen laut Aussage gesund zur Welt. Da das Experiment nicht genehmigt war (bisher waren alle derartigen Experimente an menschlichen Embryonen nur in den frühen Entwicklungsstadien mit anschließender Zerstörung des Versuchsmaterials, also ohne Einnistung des Embryos in die Gebärmutter und ohne Geburt von Kindern, erlaubt), Der dafür verantwortliche Wissenschaftler legte keine Beweise für seine Aussagen vor, die er auf der internationalen Konferenz zum Thema Genom-Editierung gemacht hatte. Ende Januar 2019 bestätigten die chinesischen Behörden offiziell den Sachverhalt dieses Experiments. Inzwischen wurde dem Wissenschaftler die Ausübung wissenschaftlicher Tätigkeiten untersagt und er wurde verhaftet.

Zelltechnik

Die Zelltechnik basiert auf der Züchtung pflanzlicher und tierischer Zellen und Gewebe, die in der Lage sind, für den Menschen notwendige Substanzen außerhalb des Körpers zu produzieren. Diese Methode dient der klonalen (asexuellen) Vermehrung wertvoller Pflanzenformen; um Hybridzellen zu erhalten, die die Eigenschaften beispielsweise von Blutlymphozyten und Tumorzellen vereinen, was eine schnelle Gewinnung von Antikörpern ermöglicht.

Gentechnik in Russland

Es wird darauf hingewiesen, dass nach der Einführung der staatlichen Registrierung von GVO die Aktivität einiger öffentlicher Organisationen und einzelner Abgeordneter der Staatsduma, die versuchen, die Einführung innovativer Biotechnologien in der russischen Landwirtschaft zu verhindern, deutlich zugenommen hat. Mehr als 350 russische Wissenschaftler unterzeichneten einen offenen Brief der Gesellschaft wissenschaftlicher Mitarbeiter zur Unterstützung der Entwicklung der Gentechnik in der Russischen Föderation. In dem offenen Brief wird darauf hingewiesen, dass ein Verbot von GVO in Russland nicht nur den gesunden Wettbewerb auf dem Agrarmarkt beeinträchtigen, sondern auch zu einem erheblichen Rückstand bei der Leund einer erhöhten Abhängigkeit von Lebensmittelimporten führen und das Ansehen Russlands als Staat untergraben wird in dem offiziell ein Kurs in Richtung innovativer Entwicklung angekündigt wurde [ Bedeutung der Tatsache? ] .

siehe auch

Anmerkungen

Alexander Panchin Gott besiegen // Beliebte Mechanik. - 2017. - Nr. 3. - S. 32-35. - URL: http://www.popmech.ru/magazine/2017/173-issue/
Olga Wolkowa. 12 Methoden in Bildern: Gentechnik. Teil I, historisch (Russisch). Biomolekül. Abgerufen am 25. März 2019.
Michael Waldholtz Transformers // In der Welt der Wissenschaft. - 2017. - Nr. 5-6. - S. 126 - 135.
In-vivo-Genombearbeitung mit einem hocheffizienten TALEN-System(Englisch) . Natur. Abgerufen am 10. Januar 2017.
Elemente – Wissenschaftsnachrichten: Affen durch Gentherapie von Farbenblindheit geheilt (nicht definiert) (18. September 2009). Abgerufen am 10. Januar 2017.
Transgene Affen bringen den ersten Nachwuchs zur Welt (nicht definiert) . membrana (29. Mai 2009). Abgerufen am 10. Januar 2017.
Genetisch veränderte Babys geboren (nicht definiert) . BBC. Abgerufen am 26. April 2008. Archiviert am 22. August 2011.
B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, 2008. „Molecular biology of the cell“, 5. Auflage, Garland Science, USA, S. 1302-1303
Kimmelman J. (2009) „Ethik der klinischen Forschung zum Krebs-Gentransfer“, Methods in Molecular Biology 542, 423-445
Wagner AM, Schoeberlein A, Surbek D. (2009) „Fetale Gentherapie: Chancen und Risiken“, Advanced Drug Delivery Reviews 61, 813-821
Gatzidou E, Gatzidou G, Theocharis SE. (2009) „Genetisch veränderte Weltrekorde: Realität oder im Bereich der Fantasie?“, Medical Science Monitor 15, RA41-47
Lowenstein PR. (2008) „Klinische Studien in der Gentherapie: Ethik der Einwilligung nach Aufklärung und die Zukunft der experimentellen Medizin“, Current Opinion in Molecular Therapy 10, 428-430

Das Senden Ihrer guten Arbeit an die Wissensdatenbank ist ganz einfach. Nutzen Sie das untenstehende Formular

Studierende, Doktoranden und junge Wissenschaftler, die die Wissensbasis in ihrem Studium und ihrer Arbeit nutzen, werden Ihnen sehr dankbar sein.

Gepostet auf http://www.allbest.ru/

Gentechnik, eine Reihe von Methoden der Biochemie und Molekulargenetik, mit deren Hilfe die gezielte kombinierte genetische Information beliebiger Organismen durchgeführt wird.

Die Gentechnik ermöglicht es, natürliche Barrieren zwischen den Arten zu überwinden, die den Austausch genetischer Informationen zwischen taxonomisch entfernten Organismenarten verhindern, und Zellen und Organismen mit Kombinationen von Genen zu schaffen, die in der Natur nicht vorkommen, mit bestimmten vererbten Eigenschaften. Das Hauptobjekt der gentechnischen Einflussnahme ist der Träger der genetischen Information – die Desoxyribonukleinsäure (DNA), deren Molekül normalerweise aus zwei Ketten besteht. Die strenge Spezifität der Paarung von Purin- und Pyrimidinbasen bestimmt die Eigenschaft der Komplementarität – die gegenseitige Korrespondenz von Nukleotiden in zwei Ketten. Die Schaffung neuer Genkombinationen erwies sich aufgrund der grundsätzlichen Ähnlichkeit der Struktur von DNA-Molekülen in allen Arten von Organismen als möglich, und tatsächlich gewährleistet die Universalität des genetischen Codes die Expression fremder Gene (Manifestation ihrer Funktionalität). Aktivität) in jeder Art von Zelle. Dies wurde auch durch die Anhäufung von Wissen auf dem Gebiet der Nukleinsäurechemie, die Identifizierung molekularer Merkmale der Organisation und Funktion von Genen (einschließlich der Etablierung von Mechanismen zur Regulierung ihrer Expression und der Möglichkeit, Gene der Wirkung von „ „fremde“ regulatorische Elemente), die Entwicklung von DNA-Sequenzierungsmethoden und die Entdeckung der Polymerase-Kettenreaktion, die es ermöglichte, schnell jedes DNA-Fragment zu synthetisieren. Wichtige Voraussetzungen für die Entstehung der Gentechnik waren: die Entdeckung von Plasmiden, die zur autonomen Replikation und Übertragung von einer Bakterienzelle auf eine andere fähig sind, sowie das Phänomen der Transduktion – die Übertragung bestimmter Gene durch Bakteriophagen, die die Formulierung der Idee ermöglichte Vektoren: Moleküle – Genträger. Enzyme, die an der Transformation von Nukleinsäuren beteiligt sind, spielten eine große Rolle bei der Entwicklung gentechnischer Methoden: Restriktionsenzyme (erkennen streng definierte Sequenzen – Stellen – in DNA-Molekülen und „schneiden“ den Doppelstrang an diesen Stellen), DNA-Ligasen (kovalente Bindung). einzelne DNA-Fragmente), Reverse Transkriptase (synthetisiert eine komplementäre DNA-Kopie oder cDNA auf einer RNA-Vorlage) usw. Erst mit ihrer Verfügbarkeit ist die Schaffung künstlicher Strukturen zu einer technisch machbaren Aufgabe geworden. Mithilfe von Enzymen werden einzelne DNA-Fragmente (Gene) gewonnen und molekulare Hybride erzeugt – rekombinante DNA (recDNA) basierend auf der DNA von Plasmiden und Viren. Letztere liefern das gewünschte Gen in die Wirtszelle und sorgen dort für dessen Reproduktion (Klonierung) und die Bildung des endgültigen Genprodukts (seine Expression).

Prinzipien der SchöpfungAnalyse rekombinanter DNA-Moleküle

Der Begriff „Gentechnik“ verbreitete sich, nachdem P. Berg und seine Kollegen 1972 erstmals rekombinante DNA erhielten, bei der es sich um einen Hybrid aus DNA-Fragmenten des Bakteriums Escherichia coli, seines Virus (Bakteriophage A) und der DNA des Affenvirus SV40 handelte wurden zusammengefasst. 1973 verwendeten S. Cohen und Mitarbeiter das pSC101-Plasmid und ein Restriktionsenzym (EcoRI), das es an einer Stelle öffnet, sodass an den Enden von a kurze komplementäre einzelsträngige „Schwänze“ (normalerweise 4 bis 6 Nukleotide) gebildet werden doppelsträngiges DNA-Molekül. Sie wurden „klebrig“ genannt, weil sie sich untereinander paaren (sozusagen zusammenhalten) konnten. Wenn solche DNA mit Fragmenten fremder DNA gemischt wurde, die mit demselben Restriktionsenzym behandelt wurden und die gleichen klebrigen Enden aufwiesen, wurden neue Hybridplasmide erhalten, von denen jedes mindestens ein Fragment fremder DNA enthielt, das in die EcoRI-Stelle des Plasmids eingefügt wurde. Es zeigte sich, dass in solche Plasmide Fragmente verschiedener fremder DNA eingefügt werden können, die sowohl von Mikroorganismen als auch von höheren Eukaryoten stammen.

Die wichtigste moderne Strategie zur Gewinnung von recDNA lautet wie folgt:

1) DNA-Fragmente eines anderen Organismus, die bestimmte Gene oder künstlich gewonnene Nukleotidsequenzen enthalten, die für den Forscher von Interesse sind, werden in die DNA eines Plasmids oder Virus eingefügt, das sich unabhängig vom Chromosom vermehren kann;

2) Die resultierenden Hybridmoleküle werden in empfindliche prokaryotische oder eukaryotische Zellen eingeführt, wo sie zusammen mit den darin eingebauten DNA-Fragmenten repliziert (vervielfacht, amplifiziert) werden;

3) Zellklone werden in Form von Kolonien auf speziellen Nährmedien (oder Viren in Form von Clearing-Zonen – Plaques auf einer Schicht kontinuierlichen Wachstums von Bakterienzellen oder tierischen Gewebekulturen) ausgewählt, die die erforderlichen Arten von recDNA-Molekülen enthalten, und ihnen ausgesetzt bis hin zu umfassenden Struktur- und Funktionsstudien.

Um die Auswahl von Zellen zu erleichtern, in denen recDNA vorhanden ist, werden Vektoren verwendet, die einen oder mehrere Marker enthalten. In Plasmiden können beispielsweise Antibiotikaresistenzgene als solche Marker dienen (Zellen, die recDNA enthalten, werden aufgrund ihrer Fähigkeit, in Gegenwart eines bestimmten Antibiotikums zu wachsen, ausgewählt). RecDNA, die die gewünschten Gene trägt, wird ausgewählt und in Empfängerzellen eingeführt. Von diesem Moment an beginnt das molekulare Klonen – das Erhalten von Kopien von DNA-Flüssen und folglich von Kopien von Zielgenen in ihrer Zusammensetzung. Nur wenn es gelingt, alle transfizierten oder infizierten Zellen zu trennen, stellt jeder Klon eine eigene Zellkolonie dar und enthält eine bestimmte Menge an DNA. Im letzten Schritt werden Klone identifiziert, die das gewünschte Gen enthalten. Die eine basiert auf der Tatsache, dass die Einfügung in einen DNA-Strom eine einzigartige Eigenschaft der Zelle bestimmt, die sie enthält (z. B. das Expressionsprodukt des eingefügten Gens). Bei molekularen Klonierungsexperimenten werden zwei Grundprinzipien beachtet: Keine der Zellen, in denen DNA-Flüsse geklont werden, sollte mehr als ein Plasmidmolekül oder Viruspartikel erhalten; Letzteres muss replizierbar sein.

In der Gentechnik werden verschiedenste Plasmid- und Virus-DNAs als Vektormoleküle eingesetzt. Die beliebtesten Klonierungsvektoren enthalten mehrere genetische Marker und haben einen Angriffspunkt für verschiedene Restriktionsenzyme. Solche Anforderungen werden beispielsweise am besten durch das Plasmid pBR322 erfüllt, das aus einem ursprünglich natürlich vorkommenden Plasmid mit Methoden konstruiert wurde, die bei der Arbeit mit recDNA verwendet werden; Es enthält Gene für die Resistenz gegen Ampicillin und Tetracyclin sowie eine Erkennungsstelle für 19 verschiedene Restriktionsenzyme. Ein Sonderfall der Klonierungsvektoren sind Expressionsvektoren, die neben der Amplifikation für die korrekte und effektive Expression fremder Gene in Empfängerzellen sorgen. In manchen Fällen können molekulare Vektoren die Integration fremder DNA in das Genom einer Zelle oder eines Virus gewährleisten (sie werden integrative Vektoren genannt).

Eine der wichtigsten Aufgaben der Gentechnik ist die Schaffung von Bakterien- oder Hefestämmen, Zelllinien tierischer oder pflanzlicher Gewebe sowie transgener Pflanzen und Tiere, die eine wirksame Expression der darin geklonten Gene gewährleisten würden. Eine hohe Proteinproduktion wird erreicht, wenn Gene in Multicopy-Vektoren kloniert werden, da in diesem Fall das Zielgen in großen Mengen in der Zelle vorhanden ist. Es ist wichtig, dass die DNA-Kodierungssequenz unter der Kontrolle eines Promotors steht, der von der RNA-Polymerase der Zelle effektiv erkannt wird, und dass die resultierende mRNA relativ stabil und effizient übersetzt ist. Darüber hinaus sollte ein in Empfängerzellen synthetisiertes Fremdprotein keinem schnellen Abbau durch intrazelluläre Proteasen unterliegen. Bei der Erzeugung transgener Tiere und Pflanzen wird häufig eine gewebespezifische Expression der eingeführten Zielgene erreicht.

Da der genetische Code universell ist, wird die Möglichkeit der Genexpression nur durch das Vorhandensein von Signalen für die Initiierung und Beendigung der Transkription und Translation in seiner Zusammensetzung bestimmt, die von der Wirtszelle korrekt erkannt werden. Da die meisten Gene höherer Eukaryoten eine diskontinuierliche Exon-Intron-Struktur aufweisen, entsteht durch die Transkription solcher Gene ein Template-RNA-Vorläufer, aus dem beim anschließenden Spleißen nichtkodierende Sequenzen – Introns – abgespalten und mRNA ausgereift werden gebildet. Solche Gene können nicht in Bakterienzellen exprimiert werden, in denen es kein Spleißsystem gibt. Um dieses Hindernis zu überwinden, wird auf reifen mRNA-Molekülen mittels Reverse Transkriptase eine DNA-Kopie (cDNA) synthetisiert, an die mittels DNA-Polymerase ein zweiter Strang angehängt wird. Solche DNA-Fragmente, die der kodierenden Sequenz der Gene entsprechen (nicht mehr durch Introns getrennt), können in einen geeigneten molekularen Vektor eingefügt werden.

Wenn man die Aminosäuresequenz des Zielpolypeptids kennt, ist es möglich, die dafür kodierende Nukleotidsequenz zu synthetisieren, ein Genäquivalent zu erhalten und es in den entsprechenden Expressionsvektor einzufügen. Bei der Erstellung eines äquivalenten Gens berücksichtigen sie normalerweise die Degeneration des genetischen Codes (20 Aminosäuren werden durch 61 Codons codiert) und die Häufigkeit des Auftretens von Codons für jede Aminosäure in den Zellen, in die dieses Gen eingeführt werden soll , da sich die Zusammensetzung der Codons in verschiedenen Organismen erheblich unterscheiden kann. Richtig ausgewählte Codons können die Produktion des Zielproteins in der Empfängerzelle deutlich steigern.

Die Bedeutung der Gentechnik

Die Gentechnik hat die experimentellen Grenzen der Molekularbiologie erheblich erweitert, da es möglich geworden ist, fremde DNA in verschiedene Zelltypen einzuführen und deren Funktionen zu untersuchen. Dadurch war es möglich, allgemeine biologische Muster der Organisation und Expression genetischer Informationen in verschiedenen Organismen zu identifizieren. Dieser Ansatz eröffnet Perspektiven für die Schaffung grundlegend neuer mikrobiologischer Produzenten biologisch aktiver Substanzen sowie von Tieren und Pflanzen, die funktionell aktive Fremdgene tragen. Viele bisher unzugängliche biologisch aktive menschliche Proteine, darunter Interferone, Interleukine, Peptidhormone und Blutfaktoren, wurden in großen Mengen in den Zellen von Bakterien, Hefen oder Säugetieren produziert und finden in der Medizin breite Anwendung. Darüber hinaus ist es möglich geworden, künstlich Gene zu erzeugen, die chimäre Polypeptide kodieren, die die Eigenschaften von zwei oder mehr natürlichen Proteinen aufweisen. All dies gab der Entwicklung der Biotechnologie einen starken Impuls.

Die Hauptobjekte der Gentechnik sind die Bakterien Escherichia coli (Escherichia coli) und Bacillus subtilis (Bacillus subtilis), die Bäckerhefe Saccharomices cereuisiae und verschiedene Zelllinien von Säugetieren. Das Spektrum gentechnisch beeinflusster Objekte erweitert sich ständig. Forschungsbereiche zur Schaffung transgener Pflanzen und Tiere entwickeln sich intensiv. Die neuesten Generationen von Impfstoffen gegen verschiedene Infektionserreger werden mit gentechnischen Methoden hergestellt (der erste basierte auf Hefe, die das Oberflächenprotein des menschlichen B-Virus produziert). Große Aufmerksamkeit wird der Entwicklung von Klonierungsvektoren auf der Basis von Säugetierviren und deren Verwendung zur Herstellung polyvalenter Lebendimpfstoffe für veterinärmedizinische und medizinische Zwecke sowie molekularer Vektoren für die Gentherapie von Krebstumoren und Erbkrankheiten gewidmet. Es wurde eine Methode entwickelt, um recDNA direkt in den Körper von Tieren und Menschen einzuführen und so die Produktion von Antigenen verschiedener Infektionserreger in ihren Zellen zu steuern (DNA-Impfung). Die neueste Richtung der Gentechnik ist die Entwicklung essbarer Impfstoffe auf der Basis transgener Pflanzen wie Tomaten, Karotten, Kartoffeln, Mais, Salat usw., die immunogene Proteine von Infektionserregern produzieren. Gentechnisches rekombinantes Molekül

Bedenken im Zusammenhang mit dem DirigierenGentechnische Experimente

Kurz nach den ersten erfolgreichen Experimenten zur Gewinnung von DNA-Flüssen schlug eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von P. Berg vor, die Durchführung einer Reihe gentechnischer Experimente einzuschränken. Diese Bedenken beruhten auf der Tatsache, dass die Eigenschaften von Organismen, die fremde genetische Informationen enthalten, schwer vorherzusagen sind. Sie können unerwünschte Eigenschaften annehmen, das ökologische Gleichgewicht stören und zur Entstehung und Verbreitung ungewöhnlicher Krankheiten bei Menschen, Tieren und Pflanzen führen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass menschliche Eingriffe in den genetischen Apparat lebender Organismen unmoralisch sind und unerwünschte soziale und ethische Folgen haben können. 1975 wurden diese Probleme auf einer internationalen Konferenz in Asilomar (USA) diskutiert. Die Teilnehmer kamen zu dem Schluss, dass es notwendig sei, weiterhin gentechnische Methoden anzuwenden, jedoch unter der zwingenden Einhaltung bestimmter Regeln und Empfehlungen. Anschließend wurden diese in einer Reihe von Ländern festgelegten Regeln erheblich gelockert und auf Techniken reduziert, die in der mikrobiologischen Forschung üblich sind, die Schaffung spezieller Schutzvorrichtungen, die die Ausbreitung biologischer Arbeitsstoffe in der Umwelt verhindern, die Verwendung sicherer Vektoren und Empfängerzellen vermehren sich nicht unter natürlichen Bedingungen.

Oft wird unter Gentechnik nur die Arbeit mit DNA verstanden und die Begriffe „molekulares Klonen“, „DNA-Klonen“, „Genklonen“ werden als Synonyme für Gentechnik verwendet. Alle diese Konzepte spiegeln jedoch nur den Inhalt einzelner gentechnischer Eingriffe wider und sind daher nicht mit dem Begriff „Gentechnik“ gleichzusetzen. In Russland wird der Begriff „Gentechnik“ häufig als Synonym für Gentechnik verwendet. Der semantische Inhalt dieser Begriffe ist jedoch ein anderer: Ziel der Gentechnik ist die Schaffung von Organismen mit einem neuen genetischen Programm, während der Begriff „Gentechnik“ erklärt, wie dies geschieht – durch Manipulation von Genen.

Gepostet auf Allbest.ru

Wirtschaftliche Bedeutung

Die Aufgabe, solche industriellen Stämme zu gewinnen, ist sehr wichtig; für ihre Modifikation und Selektion wurden zahlreiche Methoden zur aktiven Beeinflussung der Zelle entwickelt – von der Behandlung mit starken Giften bis hin zur radioaktiven Bestrahlung. Das Ziel dieser Techniken ist es, Veränderungen im erblichen, genetischen Apparat der Zelle zu erreichen. Ihr Ergebnis ist die Produktion zahlreicher mutierter Mikroben, aus denen Wissenschaftler dann versuchen, aus Hunderten und Tausenden die für einen bestimmten Zweck am besten geeigneten auszuwählen. Die Entwicklung von Methoden der chemischen Mutagenese oder Strahlenmutagenese war eine herausragende Errungenschaft der Biologie und wird in der Moderne häufig eingesetzt Biotechnologie.

Ihre Fähigkeiten sind jedoch durch die Natur der Mikroorganismen selbst begrenzt. Sie sind nicht in der Lage, eine Reihe wertvoller Stoffe zu synthetisieren, die sich in Pflanzen, vor allem in Heil- und ätherischen Ölpflanzen, anreichern. Sie können keine Substanzen synthetisieren, die für das Leben von Tieren und Menschen sehr wichtig sind, eine Reihe von Enzymen, Peptidhormonen, Immunproteinen, Interferonen und viele einfachere Verbindungen, die im Körper von Tieren und Menschen synthetisiert werden. Natürlich sind die Möglichkeiten der Mikroorganismen noch lange nicht ausgeschöpft. Von der gesamten Fülle an Mikroorganismen wurde nur ein winziger Bruchteil von der Wissenschaft und insbesondere von der Industrie genutzt. Für die Auswahl von Mikroorganismen sind beispielsweise anaerobe Bakterien, die in der Lage sind, in Abwesenheit von Sauerstoff zu leben, phototrophe Bakterien, die wie Pflanzen Lichtenergie nutzen, Chemoautotrophe und thermophile Bakterien, die, wie kürzlich entdeckt wurde, in der Lage sind, bei Temperaturen zu leben, von großem Interesse 110°C usw.

Und doch sind die Grenzen des „natürlichen Materials“ offensichtlich. Mit Hilfe von Zell- und Gewebekulturen von Pflanzen und Tieren versuchten und versuchen sie, die Beschränkungen zu umgehen. Dies ist ein sehr wichtiger und vielversprechender Weg, der auch in umgesetzt wird Biotechnologie. In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler Methoden entwickelt, mit denen einzelne Gewebezellen einer Pflanze oder eines Tieres wie Bakterienzellen getrennt vom Körper wachsen und sich vermehren können. Dies war eine wichtige Errungenschaft: Die so gewonnenen Zellkulturen werden für Experimente und für die industrielle Produktion bestimmter Substanzen verwendet, die mit Bakterienkulturen nicht gewonnen werden können.

Entwicklungsgeschichte und erreichter Stand der Technik

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden mehrere wichtige Entdeckungen und Erfindungen gemacht, die dem zugrunde liegenden Gentechnik. Langjährige Versuche, die in Genen „geschriebenen“ biologischen Informationen zu „lesen“, wurden erfolgreich abgeschlossen. Diese Arbeit wurde von dem englischen Wissenschaftler F. Sanger und dem amerikanischen Wissenschaftler W. Gilbert (Nobelpreis für Chemie) begonnen. Gene enthalten bekanntlich Informationsanweisungen für die Synthese von RNA-Molekülen und Proteinen, einschließlich Enzymen, im Körper. Um eine Zelle dazu zu zwingen, für sie ungewöhnliche neue Substanzen zu synthetisieren, ist es notwendig, dass in ihr die entsprechenden Enzymsätze synthetisiert werden. Und dazu ist es notwendig, entweder die darin befindlichen Gene gezielt zu verändern oder neue, bisher fehlende Gene einzuführen. Veränderungen in Genen in lebenden Zellen sind Mutationen. Sie entstehen beispielsweise unter dem Einfluss von Mutagenen – chemischen Giften oder Strahlung. Aber solche Veränderungen können nicht kontrolliert oder gesteuert werden. Daher haben Wissenschaftler ihre Bemühungen darauf konzentriert, Methoden zu entwickeln, um neue, sehr spezifische Gene, die der Mensch benötigt, in Zellen einzuführen.

Die Hauptschritte zur Lösung eines gentechnischen Problems sind wie folgt:

1. Gewinnung eines isolierten Gens. 2. Einführung des Gens in einen Vektor zur Übertragung in den Körper. 3. Übertragung des Vektors mit dem Gen in den veränderten Organismus. 4. Transformation von Körperzellen. 5. Auswahl gentechnisch veränderter Organismen ( GVO) und Eliminieren derjenigen, die nicht erfolgreich geändert wurden.