БИОТЕХНОЛОГИЯ Автор Могутова Ольга Борисовна методист ГЦРО

Биотехнология – древняя наука ( 6 тыс. лет до н. э. ) • • Хлебопечение; Пивоварение; Сыроварение; Виноделие; Квашение; Сбраживание молочных продуктов; Производство чая и табака.

Немного истории • Венгерский учёный Карл Эреки в 1919 году предложил термин «биотехнология» для обозначения работ по получению продуктов с использованием живых организмов.

Биотехнология – использование живых организмов и биологических процессов в производстве необходимой человеку продукции Направления Генная инженерия Клеточная инженерия Микробиологический синтез

Генная инженерия • Основана на создании рекомбинантной молекулы ДНК и введении её в чужеродный организм с целью изменения его свойств. • Процесс рекомбинации производится вне организма, преодолеваются все ограничения, с которыми сталкивается классическая селекция. • Расшифровка генома и коррекция генетического кода делают возможным лечение и диагностику наследственных и вирусных заболеваний

Рекомбинация ДНК • Рекомбинация in vitro ДНК-вектора и ДНК-гена; • Введение рекомбинантной плазмиды в клетку; • Молекулярное клонирование. Липкие концы

Начало и прогресс • Впервые трансгенные растения получены в 1982 году в Институте растениеводства в Кельне и компании Monsanto (США). • В настоящее время только в компании Monsanto получено более 45 тысяч независимых линий трансгенных растений. • Методы генной инженерии успешно применены к 50 культурным растениям: яблоне, сливе, винограду, капусте, баклажану, огурцу, пшенице, сое, рису, ржи, кукурузе, картофелю, томатам, хлопчатнику, сахарной свёкле и т. д.

Трансгенные растения • Трансгенные растения - это аналоги культурных растений с измененными свойствами, полученные путём введения генов от других организмов, в т. ч. животных. • В России зарегистрировано более 16 сортов трансгенных растений (картофеля, риса, сои, кукурузы, сахарной свёклы) производства различных фирм.

Достижения генной инженерии (растения) • • • Картофель, устойчивый к колорадскому жуку; Томаты с продлённым сроком созревания плодов; Соя, устойчивая к гербицидам; Кукурузы с улучшенным качеством зерна; Хлопчатник, устойчивый к совке.

Трансгенные животные – • животные, в организм которых введены искусственные генные конструкции с целью повышения качества или состава продукции. • модели для изучения функции и регуляции действия генов; • биореакторы для производства антибиотиков, факторов свёртывания крови.

Достижения генной инженерии (животные) n Создание трансгенных животных (кролик, овца, свинья, корова) с повышенными продуктивными свойствами, устойчивых к различным заболеваниям;

Микробиологический синтез • Производство биофармацевтических препаратов (протеинов, ферментов, антител, вакцин, антибиотиков) с помощью бактерий со встроенными генами человека; • Производство кормового белка, дрожжей, незаменимых аминокислот на основе высокоэффективных штаммов микроорганизмов;

Достижения микробиологической промышленности • • • Промышленное производство: гормона инсулина; противоопухолевого белка интерлейкина; противовирусного белка интерферона; гормона роста соматотропина; вакцины против гепатита В; вакцины против ящура крупного рогатого скота.

Клеточная инженерия • Микроклональное размножение – размножение in vitro ( «в стекле» ); • Соматическая гибридизация – объединение генетического материала путём слияния протопластов. Термин "клон" был предложен в 1903 году Уэбстером (от греческого klon – черенок или побег, пригодный для размножения растений).

Клеточная инженерия • Создание клеток нового типа на основе их гибридизации, реконструкции и культивирования. • Базируется на использовании культуры клеток, тканей и протопластов. • Основана на свойстве тотипотентности клеток, их способности к регенерации и продуцированию важнейших соединений. • Применяется в медицине, растениеводстве и животноводстве

Направления клеточной инженерии 1. Получение биологически активных веществ растительного происхождения: токсинов, гербицидов, регуляторов роста, алкалоидов, стероидов, имеющих медицинское применение. 2. Синтез новых необычных соединений. 3. Ускоренное микроклональное размножение растений. 4. Культура пыльников и пыльцы для получения гаплоидов и дигаплоидов. 5. Клеточный мутагенез и селекция. 6. Криоконсервация и другие методы сохранения генофонда. 7. Соматическая гибридизация на основе слияния растительных протопластов. 8. Конструирование клеток путем введения различных клеточных органелл.

Клеточная инженерия в животноводстве • Метод длительного хранения спермы в замороженном состоянии и искусственного осеменения. • Оплодотворение in vitro, обеспечившее получение достаточного количества зародышей на ранних стадиях развития. • Технология трансплантации эмбрионов и методы микроманипуляций с ними (получение однояйцевых близнецов, межвидовые пересадки эмбрионов и получение химерных животных, клонирование животных при пересадке ядер эмбриональных клеток в энуклеированные, т. е. с удаленным ядром, яйцеклетки)

Клонирование животных • В 1996 шотландским ученым из Эдинбурга впервые удалось получить овцу из энуклеированной яйцеклетки, в которую было пересажено ядро соматической клетки (вымени) взрослого животного. • Эта работа открывает широкие перспективы в области клонирования животных и принципиальную возможность клонирования в будущем и человека. • В этой же лаборатории было получено еще пять клонированных ягнят, в геном одного из которых был встроен ген белка человека.

Стволовые клетки • Особые клетки живых организмов, каждая из которых способна впоследствии изменяться (дифференцироваться) особым образом (то есть получать специализацию и далее развиваться как обычная клетка). • Стволовые клетки способны асимметрично делиться, изза чего при делении образуется клетка, подобная материнской (самовоспроизведение), а также новая клетка, которая способна дифференцироваться. • Термин «стволовая клетка» был введён в научный обиход русским гистологом А. Максимовым (1874— 1928). Он постулировал существование стволовой кроветворной клетки.

Плюрипотентные клетки могут дифференцироваться во все типы клеток кроме внешних эмбриональных тканей (тотипотентные клетки могут дать начало всем типам клеток и внешних эмбриональных тканей)

Микроклональное размножение Преимущества: • Получение генетически однородного посадочного материала; • Освобождение растений от вирусов; • Высокий коэффициент размножения; • Ускорение селекционного процесса; • Размножение трудно размножаемых растений; • Сокращение посевных площадей.

Этапы размножения 1 2 3 4 5 6 1. Изолирование эксплантов 2. Образование каллюса 3. Дифференцировка клеток каллюса 4. Морфогенез растения 5. Размножение в стерильных условиях 6. Укоренение побегов и адаптация растений к почвенным условиям

Соматическая гибридизация • Слияние клеток, стенки которых разрушены ферментами; • Позволяет объединить генетический материал организмов разных систематических групп; • Способствует передаче признаков, определяемых генами цитоплазмы.

Достижения клеточной инженерии • Размножение трудноразмножаемых растений: элеутерококка, масличной пальмы, яблони, ели, сосны; • Ускорение сроков выведения новых сортов у хлебных злаков; • Преодоление межвидовых барьеров (картофель, рапс, табак, томаты).

Достижения клеточной инженерии • Производство биомассы клеток женьшеня с целью получения физиологически активных соединений для нужд парфюмерной и микробиологической промышленности; • Оздоровление посадочного материала от вирусной инфекции у картофеля, садовой земляники, малины, сахарной свёклы, винограда;

ОСНОВНЫЕ ФИТОГОРМОНЫ (ГОРМОНЫ РАСТЕНИЙ) – органические вещества, вырабатываемые специализированными тканями высших растений и регулирующие индивидуальное развитие ТЕРМИНЫ ЭКСПЛАНТ – фрагмент ткани или органа, культивируемый на питательной среде самостоятельно или используемый для получения первичного каллуса

ВЕКТОР ДЛЯ КЛОНИРОВАНИЯ – любая плазмида или фаг, в которые может быть встроена чужеродная ДНК с целью клонирования РЕСТРИКТАЗА – фермент, расщепляющий ДНК по местам с определённой последовательностью нуклеотидов ДИФФЕРЕНЦИРОВКАвозникновение различий между однородными клетками и тканями, приводящее к формированию специализированных клеток, тканей, органов ТРАНСГЕНЕЗ – перенос генов в клетки и организмы

КАЛЛЮС (КАЛЛУС) – ткань, образующаяся у растений в местах повреждений и способствующая их заживлению. Используется для изолированных тканей МОРФОГЕНЕЗ РАСТЕНИЙ – образование морфологических структур и целостного организма в процессе развития КЛОН – большое число клеток или молекул, идентичных одной родоначальной клетке или молекуле ПЛАЗМИДА – кольцевая внехромосомная ДНК, способная к автономной репликации

ТОТИПОТЕНТНОСТЬ – свойство клеток реализовывать генетическую информацию ядра, обеспечивающую их дифференцировку, а также развитие до целого организма IN VITRO – выращивание живого материала «в стекле» , на искусственных питательных средах, в стерильных условиях ПРОТОПЛАСТ растительная клетка, лишённая клеточной стенки с помощью ферментативного разрушения или механическим способом IN VIVO – выращивание живого материала в естественных условиях

ПРОБЛЕМЫ И ОПАСНОСТИ БИОТЕХНОЛОГИИ ПРЕИМУЩЕСТВА БИОТЕХНОЛОГИИ • НЕ ИМЕЕТ ГРАНИЦ; • ПОЗВОЛЯЕТ СОЗДАВАТЬ НОВЫЕ ГЕНЫ; • ДЕЛАЕТ РЕАЛЬНЫМ КОНСТРУИРОВАНИЕ НОВЫХ ГЕНОТИПОВ; • ДАЁТ ВОЗМОЖНОСТЬ ИЗМЕНЯТЬ ОТДЕЛЬНЫЕ ГЕНЫ И ПРИЗНАКИ; • СНИМАЕТ БИОЛОГИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ. ПРОБЛЕМЫ БИОТЕХНОЛОГИИ • ЭТИЧНОСТЬ РАБОТ ПО КЛОНИРОВАНИЮ; • ОПАСНОСТЬ СОЗДАНИЯ НОВЫХ ПАТОГЕННЫХ ШТАММОВ МИКРООРГАНИЗМОВ; • ПОВЕДЕНИЕ ЧУЖЕРОДНЫХ ГЕНОВ В ОРГАНИЗМЕ; • ПОСЛЕДСТВИЯ ДЛЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА БУДУЩЕГО ПОТОМСТВА.

МАСШТАБЫ ПРОИЗВОДСТВА ГМО • ЗА 10 ЛЕТ МИРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА ГМО РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОСХОЖДЕНИЯ В США И ДРУГИХ СТРАНАХ ЗАРЕГИСТРИРОВАНЫ И РАЗРЕШЕНЫ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПИТАНИИ БОЛЕЕ 100 ВИДОВ ГМО.

В РОССИИ • 60 -70% ВВОЗИМЫХ ПРОДУКТОВ – ГЕННО-МОДИФИЦИРОВАННЫЕ: ДЕТСКОЕ ПИТАНИЕ, ГОТОВЫЕ ЗАВТРАКИ СОЕВЫЕ ПРОДУКТЫ, ЙОГУРТ, КЕФИР, ТВОРОГ, СУХОЕ МОЛОКО, ПЕЧЕНЬЕ, МУКА, КРАХМАЛ, КАРТОФЕЛЬ, ЧИПСЫ, ПОП-КОРН, ЛЕЦИТИН, КОНСЕРВИРОВАННАЯ КУКУРУЗА И ТОМАТЫ, КУКУРУЗНОЕ И ХЛОПКОВОЕ МАСЛО, ШОКОЛАД, СИРОП, ТОМАТНЫЕ СОУСЫ, КОФЕ И КОФЕЙНЫЕ НАПИТКИ, ВИНО, ПЕПСИ, КОКА-КОЛА, КЛУБНИКА, КИВИ, МАНГО.

ОПАСНОСТЬ БИОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ ЧЕЛОВЕКА • ВОЗМОЖНОСТЬ АЛЛЕРГИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ПРИ УПОТРЕБЛЕНИИ В ПИЩУ ГЕННОМОДИФИЦИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ. • ТОКСИЧНОСТЬ ГМО 37 ЧЕЛОВЕК ПОГИБЛИ, 1500 ОСТАЛИСЬ ИНВАЛИДАМИ В РЕЗУЛЬТАТЕ УПОТРЕБЛЕНИЯ В ПИЩУ ПИЩЕВОЙ ДОБАВКИ ГМ ТРИПТОФАНА, ПРОИЗВЕДЕННОЙ ЯПОНСКОЙ КОМПАНИЕЙ SHOWA DENKO K. K. • ВОЗНИКНОВЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ К АНТИБИОТИКАМ УСТОЙЧИВОСТЬ К АНТИБИОТИКАМ, ИСПОЛЬЗУЕМЫМ ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ ЛЁГОЧНЫХ ИНФЕКЦИЙ, В ЕВРОПЕЙСКИХ СТРАНАХ ДОСТИГЛА 82%.

ОПАСНОСТЬ БИОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ • НАРУШЕНИЕ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ; • ОТСТАВАНИЕ В РОСТЕ; • ПОВЫШЕНИЕ ЧАСТОТЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВРОЖДЁННЫХ ПОРОКОВ РАЗВИТИЯ У ПОТОМСТВА.

МНЕНИЕ УЧЁНЫХ • ГМО МОГУТ ПРИВЕСТИ К ОНКОЛОГИЧЕСКИМ ЗАБОЛЕВАНИЯМ, БЕСПЛОДИЮ, ВЫСОКОМУ УРОВНЮ СМЕРТНОСТИ И ЗАБОЛЕВАЕМОСТИ НОВОРОЖДЁННЫХ, УМЕНЬШЕНИЮ ЧИСЛЕННОСТИ И ИСЧЕЗНОВЕНИЮ МНОГИХ ВИДОВ И ЖИВОТНЫХ. • НЕ ИСКЛЮЧЕНО, ЧТО ЧУЖЕРОДНАЯ ДНК СПОСОБНА НАКАПЛИВАТЬСЯ ВО ВНУТРЕННИХ ОРГАНАХ ЧЕЛОВЕКА, ПОПАДАТЬ В ЯДРА КЛЕТОК ЭМБРИОНОВ, ЧТО МОЖЕТ СТАТЬ ПРИЧИНОЙ ВРОЖДЁННЫХ УРОДСТВ И ГИБЕЛИ. • ДЕТИ ДО 4 -Х ЛЕТ МЕНЬШЕ ВСЕГО ЗАЩИЩЕНЫ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЧУЖЕРОДНЫХ ГЕНОВ.

ПРОГНОЗ УЧЁНЫХ • ЧЕЛОВЕК СМОЖЕТ НАЙТИ СПОСОБ ЗАЩИТИТЬ СЕБЯ ОТ ГМО, НО НЕ СМОЖЕТ ЗАЩИТИТЬ ЖИВОТНЫХ, РАСТЕНИЯ И БАКТЕРИИ, ОНИ БУДУТ ИСЧЕЗАТЬ ПЕРВЫМИ. • ЧЕЛОВЕЧЕСТВО МОЖЕТ СТОЛКНУТЬСЯ С ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ КАТАСТРОФОЙ, КОТОРАЯ БУДЕТ РЕЗУЛЬТАТОМ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ГМО-ПЛАНТАЦИЙ. • ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ГМО НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ НА ЗАКОНЧЕНО – САНИТАРНО - ЭПИДЕМИОЛОГИЧЕСКИЕ НОРМАТИВЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПРЕДПИСЫВАЮТ ПРОВЕРКУ НА ПЯТИ ПОКОЛЕНИЯХ. • РОССИЙСКИЕ ГЕНЕТИКИ ОБРАТИЛИСЬ К ГЛАВНОМУ САНИТАРНОМУ ВРАЧУ Г. ОНИЩЕНКО С ПРОСЬБОЙ ВВЕСТИ ВРЕМЕННЫЙ МОРАТОРИЙ НА РЕГИСТРАЦИЮ НОВЫХ ГЕННОМОДИФИЦИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ ДО ОКОНЧАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

Основные достижения биотехнологии • Синтез гормона инсулина, гормона роста человека, интерферона • Создание растений (кукуруза, соя, картофель, томат, рапс, хлопчатник) с заданными свойствами: устойчивых к болезням, вредителям, гербицидам, холодостойких, с улучшенным качеством продукции • Микроклональное размножение трудноразмножаемых ценных культур (масличная пальма, женьшень, элеутерококк) • Получение посадочного материала, свободного от вирусной инфекции • Лечение наследственных болезней человека

Заключение • В настоящее время основным методом переноса генов является создание рекомбинантной ДНК на основе бактериальных плазмид и введение её в живой организм; • Микроклональное размножение растений основано на свойстве тотипотентности клеток; • Изменение состава фитогормонов в искусственной питательной среде позволяет вырастить целое растение из клетки; • Технология слияния протопластов используется для объединения генетического материала генетически отдалённых родительских форм.

Выводы • Возможности биотехнологии безграничны; • Генная инженерия позволяет создавать растения и животных с заданными свойствами, т. е. конструировать геномы; • Клеточная инженерия обеспечивает большой выход генетически однородного посадочного материала, свободного от вирусной инфекции, при сокращении посевных площадей и сроков размножения; • Микробиологическая промышленность использует микроорганизмы для выработки веществ, необходимых для лечения человека и кормления животных.