Революционные направления в генной инженерии, геномике и протеомике, новейшие достижения молекулярной биотехнологии

 

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО  ХОЗЯЙСТВА РФ

ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФГБОУ ВПО ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Факультет биотехнологии  и ветеринарной медицины

Кафедра биотехнологии

 

 

 

Реферат

по дисциплине «Современные проблемы биотехнологии»

на тему:

«Революционные направления в генной инженерии, геномике и протеомике, новейшие достижения молекулярной биотехнологии».

 

 

Выполнил:

студент группы Био-131(м)

Кленышева С. В.

 

 

Проверил:

к.с.-х.н., доцент

Гагарина Ирина Николаевна.

 

 

 

Орел, 2013 г.

Содержание

Введение

1. Генетическая инженерия
1. Генетическая инженерия растений
2. Генетическая инженерия животных. Клонирование
2. Геномика и ее главные достижения
1. Структурная и функциональная геномика
2. Достижения и потенциал геномики. Генотерапия

3. Протеомика - белковая инженерия

1. Основные задачи протеомики
2. Изучение структуры и функционирования протеома
3. Биоинформатика и базы данных белков
4. Успехи и перспективы протеомики

Заключение

Список использованной литературы

 

Введение

Данная работа посвящена  революционным и наиболее бурно  развивающимся направлениям биотехнологии  – генной инженерии, геномике, а также протеомике – белковой инженерии.

Генетическая инженерия  является важной составной частью биотехнологии. Родившись в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в "фабрики" для масштабного производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средств.

Геномика – это направление биотехнологии, занимающееся изучением геномов и ролей, которые играют различные гены, индивидуально и в комплексе.

Протеомика — наука, основным предметом изучения которой являются белки, их функции и взаимодействия в живых организмах, в том числе — в человеческом. Протеомика осуществляет сравнительный анализ больших групп белков — от всех белков, вовлеченных в тот или иной биологический процесс до полного протеома.

Эти три науки сулят  человечеству большие перспективы. Наряду с этим произошли существенные изменения и в самом принципе организации фундаментальной науки о жизни в целом.

 

 

1. Генетическая инженерия

Революционные  преобразования    традиционных  биотехнологических процессов связаны с применением  методов генетической инженерии. Метод  рекомбинантных ДНК является краеугольным камнем новейшей биотехнологии. Создание рекомбинантных ДНК означает объединение (рекомбинирование) двух отрезков ДНК разных видов. С помощью генетической инженерии разработаны и используются различные социально значимые технологии и процессы:

– производство новых лекарственных  препаратов и безопасных вакцин;

– лечение некоторых  генетических заболеваний;

– создание биоконтролирующих агентов для сельского хозяйства;

– повышение урожайности  и снижение стоимости продукции;

– снижение аллергенности некоторых продуктов;

– улучшение питательных  свойств продуктов;

– разработка биодеградирующих пластмасс;

– снижение уровня загрязненности воды и воздуха;

– замедление скорости порчи  пищевых продуктов;

– контроль над вирусными заболеваниями.

Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании  таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму  свойства, полезные для человека. Например, получение «биологических реакторов» - микроорганизмов, растений и животных, продуцирующих фармакологически значимые для человека вещества, создание сортов растений и пород животных с определёнными  ценными для человека признаками. Методы генной инженерии позволяют  провести генетическую паспортизацию,  диагностировать генетические заболевания,  создавать  ДНК-вакцины, проводить  генотерапию различных заболеваний.

Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:

- специфическое расщепление ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами;

- быстрое секвенирование всех нуклеотидов очищенном фрагменте ДНК, что позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им;

- конструирование рекомбинантной ДНК;

- гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические последовательности РНК или ДНК с большей точностью и чувствительностью, основанную на их способности связывать комплементарные последовательности нуклеиновых кислот;

- клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;

- введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы.

Молекулярное, или генетическое, клонирование – процесс создания генетически идентичных молекул  ДНК – является основой молекулярной биологии, фундаментальным методом  биотехнологических исследований, а  также  основой  развития  и  коммерциализации  биотехнологии.  Подавляющее большинство практических приложений биотехнологии, начиная  с разработки лекарственных препаратов и заканчивая созданием трансгенных культур, основывается на методах генетического клонирования. С помощью молекулярного клонирования  стали возможными:  идентификация,  локализация и описание генов; создание генетических карт и секвенирование целых геномов; проведение параллелей между генами и ассоциированными с ними признаками; установление молекулярной основы проявления признаков. Область применения клонирования чрезвычайно широка. 

 

 

1.1 Генетическая инженерия растений

К числу перспективных  направлений биотехнологии относится  модификация  генома  культурных  растений  с  целью  повышения  урожайности  и улучшения  их  устойчивости  к  вредителям  и  неблагоприятным    условиям среды. Наибольший интерес вызывает, естественно, возможность трансформации однодольных  растений (прежде всего, злаковых). 

Трансформация генома высших растений реализуется двумя методами:  баллистическим  и с использованием природной системы переноса генетического  материала – части Ti-плазмиды (Т-ДНК) – Agrobacterium tumefaciens – возбудителя бактериального рака или корончатого галла у двудольных растений. В качестве маркерной системы используют гены антибиотикоустойчивости,  а также новые системы – Lux-гены  или ген бактериальной β-глюкуронидазы,  вызывающий  окрашивание селективной среды. Ti-плазмиды,  модифицированные  разными генами,  переносят в растения.

Перенос генетической информации с помощью Ti-плазмиды осуществлен и на примере однодольных растений: использовали ткани луковицы гладиолуса с удаленными боковыми частями. Цилиндрические эксплантанты заражали вирулентными штаммами агробактерии, несущими Ti-плазмиду, которая содержит гены, кодирующие синтез опинов; спустя 24 ч на поверхности зараженного растения появлялись опухоли. Специалисты Карнелского университета  (США)  предложили  новый метод – стрелять  по  клеткам растений вольфрамовыми пулями,  покрытыми генетическим  материалом.  «Обстрел» клеток-хозяина происходит со скоростью свыше 1 000 км/ч миллионом металлических дробинок,  покрытых  слоем    фрагментов  ДНК;  метод оказался универсальным.

С помощью генетического  конструирования стало возможным  получение соле-, гербецидо- и морозоустойчивых растений. По оценкам специалистов, в США ежегодный ущерб от заморозков оценивается в 6 млрд дол. Оказалось, что наиболее активными центрами кристаллизации являются отдельные бактерии  (представители Pseudomonas,  Erwinia),  способные вызывать образование льда при 0 оС; их назвали INA-бактерии – активные кристаллизаторы воды (Ice-nucleation Active). В этих бактериях идентифицирован специфический мембранный белок, вызывающий кристаллизацию; ice-гены  были клонированы и модифицированы. Удаление средней части привело к потери способности экскретировать белок кристаллизации. В результате бактерии с модифицированным ice-геном утратили способность кристаллизовать воду при −1–5 оС. Посев этих генетически модифицированных бактерий на растения  в момент  распускания почек    препятствует  колонизации другими бактериями,  поэтому растения  фактически  иммунны  для заражения INA-бактериями дикого типа и им не страшны кратковременные заморозки.

Вторая волна «зеленой революции» ориентирована на получение  генетически  модифицированных  «самоудобряющихся»  растений.  Установлено, что  в  составе  генома  азотфиксирующих  симбиотических  бактерий  имеется группа  генов,  ответственных  за  симбиоз  с  растениями  и  локализованных в крупных симбиотических плазмидах pSym; процесс формирования клубеньков контролируют nod-гены и, наконец, nif-гены ответственны за синтез нитрогеназы, т.е. азотфиксацию. В настоящее время большие средства в США и других странах вкладываются в программу получения трансгенных злаковых с генами азотфиксации. Однако при переносе генов азотфиксации в высшие растения,  помимо  трудностей  генетического характера,  имеются и другие.

Пока не изучена в  должной мере регуляция взаимосвязи  генов фиксации азота  с  генами,  ответственными  за  синтез  переносчиков  электронов  и  кофакторов, необходимых для функционирования фермента нитрогеназы. Последняя должна быть защищена от ингибирующего воздействия кислорода.

Ведутся  также  интенсивные  исследования  генетики  растений  для  подбора эффективных растений-хозяев,  а  также  исследования, направленные на  модификацию генома микроорганизмов  для получения организмов, способных  существовать в симбиозе не только с бобовыми растениями (например, хлебными злаками). Фундаментальные исследования по переносу генов азотфиксации  в высшие  растения,  по-видимому,  приведут  к многообещающим  открытиям и коренному перевороту практики азотного питания растений.

Второе, весьма важное направление  применения генетической инженерии, –  придание культурным растениям устойчивости к заражению листогрызущими  насекомыми.  Природные фитопатогены,  например  бактерии Bacillus  thuringiensis  (Bt),  синтезирующие токсины,  эффективные против листогрызущих насекомых, стали источником генов для придания растениям устойчивости к этим вредителям. Синтез токсинов Bt контролируется одним геном,  имеющиеся методы позволяют проводить работы, направленные на улучшение существующих продуцентов и продуктов Bt. Известно, что гены, контролирующие  синтез  кристаллов  Bt,  локализованы на небольшом числе плазмид  значительной  молекулярной  массы.  Токсический белок,  синтезируемый Bt, клонирован в E. coli и B. subtilis, его экспрессия получена даже в течение вегетативной фазы роста. Есть сведения о клонировании белка, токсичного для бабочек, в клетках табака. В выросшем целом растении табака каждая клетка вырабатывала токсин. Таким образом, растение, приобретшее токсин, само становится устойчивым к насекомым: поедая листья, гусеница погибает, не причинив существенного вреда растению. 

Американскими  компаниями  «Монсанто»  и  «Агроцетус»  проведены  полевые испытания  и районированы  сорта хлопчатника, сои  и ряда других

культур с внедренным в  хромосому геномом Bt. Резистентность к гусеницам передается  семенам и последующим поколениям  растений.  Начато  получение рассады трансгенного картофеля и томатов с внедренным геном Bt, токсичного для чешуекрылых. Создан трансгенный инсектоустойчивый тополь с внедренным  геном антитрипсиназы  в клетки  тканей.  Фермент снижает усвоение белка насекомыми, что приводит к сокращению популяции.

Клонированы  гены  устойчивости  к  гербицидам;  их  клонирование    в растения  призвано  обеспечить  безопасность  применения  ядохимикатов  в сельском хозяйстве. Однако клонирование  генов в культурные растения сопряжено  с определенным риском. Опасения связаны  с возможностями выхода генетических векторов и трансгенных растений из-под контроля биотехнологов. Поэтому высказываются опасения превращения генно-инженерных растений  в сорняки,  хотя  комплекс  «сорняковости»  (комплекс  признаков, обеспечивающих быстрое распространение в ущерб культурным растениям, устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов, эффективные механизмы рассеивания семян и пр.) едва ли может сформироваться в результате трансплантации одного или немногих генов. В то же время устойчивость к гербицидам, кодируемая одним геном, может вызвать существенные проблемы в практике севооборотов. Так, устойчивое к некоторому препарату растение, культивируемое на определенной площади, на следующий год при смене на этом поле культуры будет выступать по отношению к ней как сорняк, устойчивый  к  данному  гербициду.  Это  предусматривает  необходимость  тщательного тестирования всех генно-инженерных растений перед их переносом в полевые условия.

Новый путь модификации  генома – применение антисмысловых РНК, т.е. подавление синтеза определенного белка. Введение в клетку комплементарного олигонуклеотида  мРНК препятствует считыванию информации. Использование  данной  технологии    позволило  получить  сорт  томатов,  сохраняющихся длительное время за счет блокирования функции гена полигалактуроназы (расщепляет углеводы в клетке, стимулируя созревание), или кофе с низким уровнем кофеина в результате введения гена, подавляющего продукцию;  т.е.  это путь  удаления  неприятных  горьких  и  прочих  веществ  из сельскохозяйственной продукции, подавления вирусных инфекций и т.д. 

 

1.2 Генетическая инженерия животных. Клонирование

Генетическая инженерия  животных направлена  на выведение  животных с высокими эксплуатационными  свойствами. Методы генетической инженерии  совместно с методом клонирования животных позволяют также получать  модели  для  изучения  заболеваний  человека,  процессов  старения  и формирования  злокачественных  новообразований.  В  будущем  эти  приемы могут  быть  использованы  для  разработки  новых  лекарственных  средств  и оценки эффективности  таких методов лечения, как генная и клеточная терапии.  Клонирование  животных  также  предоставляет  возможность  спасения видов, находящихся  под угрозой вымирания.