Учебное пособие Якупов Т. Р. Молекулярная биотехнология Биоинженерия Казань 2016



страница1/7
Дата02.06.2018
Размер4,31 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7


Молекулярная биотехнология

Биоинженерия

Учебное пособие

Якупов Т.Р.

Молекулярная биотехнология

Биоинженерия

Казань 2016

УДК 619:616.98:579.873.21:636.22.28

ББК 28672я73
Печатается по решению Ученого совета факультета биотехнологии и стандартизации федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Казанская государственная академия ветеринарной медицины имени Н.Э.Баумана»
Рецензенты: Юсупова Г.Р. - доктор биологических наук,

лауреат Государственной премии Республики

Татарстан, профессор кафедры ветеринарно-

санитарной экспертизы ФГБОУ ВО КГАВМ.



Вафин Р.Р. - доктор биологических наук,

профессор РАН, главный научный сотрудник ФГБНУ ТатНИИСХ.
Якупов Т.Р. Молекулярная биотехнология. Биоинженерия. Учебное пособие / Т.Р.Якупов. – Казань: ФГБОУ ВО КГАВМ, 2016. – 138 с.

Учебное пособие предназначается для студентов по направлениям подготовки – «Ветеринария» и «Зоотехния». Состоит из двух глав, где изложены основы генной и клеточной инженерии: методы изучения генома, конструирование рекомбинантной ДНК, технологии трансгенеза, клонирования и др.

© Т.Р.Якупов, 2016

© ФГБОУ ВО «Казанская государственная академия ветеринарной медицины имени Н.Э. Баумана», 2016.



Введение

Термин "биотехнология" впервые был применен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки для описания процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки, биотехнология – это "все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты".

В настоящее время «Биотехнологию», в целом, определяют как науку о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения. Однако, среди ученых нет единого и точного определения понятия «биотехнология». Объяснить это можно тем, что современная «биотехнология» - не отдельная наука с конкретными целями, задачами и предметом изучения, а целая область знаний, объединяющая множество наук – биологических, точных и др.

В историческом смысле биотехнология возникла тогда, когда дрожжи были впервые использованы при производстве пива, а бактерии – для получения йогурта. Современный мир переживает глобальный биотехнологический бум. Биотехнология все больше и больше становится системообразующим, ведущим фактором развития экономики отдельных государств и мировой экономики в целом.

В целях конкретизации предметов изучения и задач биотехнологии, т.е. для более научного восприятия биотехнологических процессов, выделяют «молекулярную биотехнологию», которую можно представить как науку, развившуюся из молекулярной биологии - изучения явлений жизни на молекулярном уровне.

Молекулярная биотехнология как наука возникла в начале сороковых годов и получила ускоренное развитие с 1953 года, после открытия Джеймса Уотсона и Френсиса Крика о химической структуре и пространственной организации двойной спирали ДНК.

В 1953 году Уотсон и Крик, на основании имеющихся к тому времени данных, сформулировали теорию о структуре ДНК – о том, что ДНК представляет собой полимер из нуклеотидов в виде двойной спирали и является носителем генетической информации. Это было выдающимся достижением молекулярной биологии – открытие новой эры в биологии. Последующие исследования полностью подтвердили правильность этой теории. Было установлено, что при делении клетки происходит репликация – удвоение молекулы ДНК, что информация, содержащаяся в молекуле ДНК, реализуется в процессе синтеза белка по схеме ДНК → РНК → белок. Разработка методов исследования нуклеиновых кислот позволила осуществлять секвенирование ДНК, выдающимся достижением чего является то, что в 2000 году были доложены предварительные, а в 2003 году – окончательные результаты расшифровки генома человека.

1973 году разработка Стэнли Коэном и Гербертом Боером технологии переноса функциональной единицы наследственности, гена, из одного организма в другой явилась новым этапом развития молекулярной технологии. На этой основе разрабатывались новые методы и технологии, с помощью которых можно было быстро идентифицировать, выделять и использовать гены. Полученные результаты внесли значительный вклад в развитие всех биологических дисциплин – биологии развития, молекулярной эволюции, клеточной биологии, генетики человека и животных, биотехнологии.

Условно молекулярную биотехнологию можно разделить на 4 основные и тесно взаимосвязанные между собой разделы (или направления):

1. Генная инженерия

2. Клеточная инженерия

3. Инженерная энзимология

4. Техническая или производственная микробиология.

Каждая из этих направлений представляют собой обширную область знаний со своими целями и задачами.



Генетическая инженерия - совокупность методов, позволяющих искусственно переносить генетическую информацию из одного организма в другой с помощью специально созданных генетических конструкций. Одной из главных задач генной инженерии является получение организмов с желаемыми свойствами. Основным подходом - конструирование in vitro (вне организма) рекомбинантных молекул ДНК (искусственно скомбинированных из фрагментов) с заданными наследственными свойствами, поэтому генную инженерию также называют технологией рекомбинантных ДНК.

Клеточная инженерия - совокупность методов, используемых для конструирования новых клеток. Включает культивирование и клонирование клеток на специально подобранных средах, гибридизацию клеток, пересадку клеточных ядер и другие микрохирургические операции по «разборке» и «сборке» (реконструкции) жизнеспособных клеток из отдельных фрагментов.

Начало клеточной инженерии относят к 1960-м гг., когда возник метод гибридизации соматических клеток.



Генная инженерия и клеточная инженерия составляют основу молекулярной биотехнологии. Объединив их в одно целое, в настоящее время выделяют отдельный раздел молекулярной биотехнологии - биоинженерию.

Инженерная энзимология – область биотехнологической науки, к которой относят систему методов получения, очистки, стабилизации и применения ферментов. Основной задачей инженерной энзимологии является конструирование биоорганических катализаторов с заданными свойствами и разработка на их основе различных эффективных и экологически чистых биотехнологических процессов.

Практические разработки в области инженерной энзимологии связаны с решением следующих задач:

· получение нового продукта;

· улучшение качества известного продукта;

· повышение экономичности биотехнологического процесса.

Техническая или производственная микробиология - раздел биотехнологии, разрабатывающий способы культивации полезных микроорганизмов в промышленных масштабах.

Техническая микробиология изучает микроорганизмы, используемые в производственных процессах с целью получения различных практически важных веществ: пищевых продуктов, лекарственных препаратов биологически активных веществ (БАВ) и др.


ГЛАВА 1

1. Генетическая инженерия. Общие сведения

Генетическая или генная инженерия сегодня достигла довольно высокого уровня развития и остается наиболее бурно развивающимся направлением молекулярной биотехнологии. Благодаря генной инженерии человечество получило шанс разрешения многих вопросов и проблем в области медицины, сельского хозяйства и ряда иных областей.

С развитием генной инженерии ученые получили возможность синтезировать, выделять, комбинировать и перемещать гены и любые другие фрагменты ДНК.

Генная инженерия внесла революционный вклад в развитие многих биологических дисциплин, таких как, молекулярная биология, микробиология, вирусология, медицинская генетика, генетика человека и др. Появилась ранее недоступная возможность изучения молекулярной организации геномов (в том числе высших эукариот), что привело к возникновению геномики — раздела генетики, изучающего структурную организацию и функционирование геномов.



Одним из последних сверх достижений генной инженерии является создание искусственной клетки, о чем доложил 2010 году Крейг Вентер.

Первый этап развития генной инженерии - попытка расшифровки генома живого организма. Ученые впервые попробовали понять, за какие конкретно функции в организме живого существа отвечает тот или иной отдельно взятый ген. В 1980 году  «за фундаментальные исследования биохимии нуклеиновых кислот, особенно рекомбинантной ДНК» Пол Берг, Уолтер Гилберт и Фредерик Сенгер были удостоены Нобелевской премии в области химии. В целом, они получили ее за попытку расшифровки генетической информации, которая была удачной.

На сегодняшний день с помощью генетической инженерии созданы линии животных, устойчивых к вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными для человека признаками.

Генная инженерия открыла путь для производства продуктов белковой природы путем введения в клетки микроорганизмов, искусственно синтезированных генов, где они могут экспрессироваться (встраиваться) в состав гибридных молекул. Первой удачной попыткой такого рода стала работа К. Итакуры и Г. Бойера с соавторами (1977г.) по экспрессии в

Е. coli химически синтезированного гена, кодирующего гормон млекопитающих - соматостатин.

Метод химического синтеза генов обеспечил возможность получения штаммов бактерий продуцентов инсулина человека, важного лечебного препарата для больных диабетом. Таким способом получены и клонированы гены, кодирующие глобины человека, животных и птиц, белок хрусталика глаза, яичный белок, фиброин шелка, продуцируемый тутовым шелкопрядом, и др. Этот же принцип был применен для получения, клонирования и экспрессии генов интерферона человека в бактериях.

К открытиям связанными с достижениями генной инженерии нужно прибавить и то, что огромный генетический «чертеж» многоклеточного существа просчитан полностью. В 2003 году было объявлено об успешном выполнении международной научной программы «Геном человека».

Программа «Геном человека»,  международная программа, конечной целью которой является определение нуклеотидной последовательности (секвенирование) всей геномной ДНК человека, а также идентификация генов и их локализации в геноме (картирование). Общебиологическим значением исследований в рамках Проекта является, прежде всего, то что исследования способствовали секвенированию геномов огромного числа других организмов. Без геномного проекта эти данные были бы получены гораздо позже и в гораздо меньшем объеме.

Сейчас, даже трудно предсказать все возможности, которые будут реализованы в ближайшие несколько десятков лет. Самые большие надежды возлагаются на возможность применения результатов секвенирования генома человека для лечения генетических заболеваний. К настоящему времени в мире идентифицировано множество генов, ответственных за многие болезни человека, в том числе и такие серьезные, как болезнь Альцгеймера, муковисцидоз, мышечная дистрофия Дюшенна, хорея Гентингтона, наследственный рак молочной железы и яичников. Структуры этих генов полностью расшифрованы, а сами они клонированы. 

Генетическая инженерия имеет яркую историю, благодаря, прежде всего, открытиям в области исследований нуклеиновых кислот:

1869г. - Ф. Мишер - выделение ДНК из ядер клеток гноя;

1880г. - А. Коссель - выделение азотистых оснований;

1940г. - Браун и Тодд – расшифровка принципов химического строения полинуклеотидной цепи;

1950г. - Э. Чаргафф – сформулировал закономерностей нуклеотидных отношений (правило Чаргаффа);

1953г. - Д. Уотсон, Ф. Крик - сконструирована модель двойной спирали ДНК на основании результатов рентгеноструктурного анализа ДНК;

1956г. - Э.Волкин, Астрахани и Херши - открытие и-РНК;

1957г. - А. Корнберг - синтез ДНК in vitro;

1966г. - М. Ниренберг, Г. Корана - расшифрован генетический код;

1967г. - М. Геллерт - открыта ДНК-лигаза;

1968г. - М. Мезельсон, Е. Юань - выделена первая рестриктаза;

1970г. - Г. Тёмин, С. Мизутани - открыта ревертаза;

1972-1973г.г. - Г. Бойер, С. Коэн, П. Берг - разработана технология клонирования ДНК;

1975-1977г.г. - Ф. Сэнгер, Р. Баррел, А. Максам, В. Гилберт - разработаны методы быстрого определения нуклеотидной последовательности;

1981-1982г.г. - Р. Пальмитер, Р. Бринстер, А. Спрэдлинг, Г. Рубин - получена трансгенная мышь. Получены трансгенные экземпляры дрозофилы;

1986г. – создана генно-инженерная вакцина против гепатита В и генно-инженерный интерферон;

1990г. – начало международного проекта по созданию генетической карты человека (Human Genom Project);

1998г. – создана полная генетическая карта животного (круглого червя);

2003г. – полностью расшифрован геном человека;



2007 г. – создана искусственная хромосома;

2010г. - создана  первая синтетическая клетка, которая работает на основе  синтетического генома.


2. ДНК – носитель генетической информации

Эволюционно нуклеиновые кислоты формировались как носители генетической информации. Однако роль нуклеиновых кислот как носителей наследственности была установлена сравнительно недавно, а точнее в 1869г., после того как Фридрих Мишер из лейкоцитов крови человека выделил «нуклеин» - вещество с кислотными свойствами. Следующий крупный шаг в определении материального носителя наследственности был сделан Гриффисом (1928 г.), который открыл явление бактериальной трансформации. В опытах Гриффиса было показано, что пневмококки бескапсульные (R-формы) приобретают вирулентность, если их смешивать с убитыми нагреванием вирулентными (S-формами) штаммами пневмококков.



Нуклеиновая кислота – высокомолекулярное соединение или биологический полимер, построенный из мононуклеотидов.

Различают два вида нуклеиновых кислот: 1) дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и 2) рибонуклеиновая кислота (РНК).

Биологическая функция нуклеиновых кислот заключается в хранении, передаче и реализации генетической информации, обеспечивая тем самым жизнедеятельность и индивидуальность живого организма.

Основные отличия между ДНК и РНК

1. ДНК имеет двухцепочечную структуру, РНК - одноцепочечна. ДНК локализована в основном в ядре клетки, РНК – в цитоплазме. РНК бывает 3-х основных видов: иРНК, тРНК и рРНК.

2. Отличие в нуклеотидном составе: ДНК построена из АМФ, ГМФ, ЦМФ, ТМФ; РНК – из АМФ, ГМФ, ЦМФ и УМФ. Таким образом, в ДНК никогда не встречается УМФ, а в РНК – ТМФ.

3. Отличие в строении нуклеотидов: в нуклеотидах ДНК вторым, углеводистым компонентом является дезоксирибоза, в нуклеотидах РНК – рибоза.



Огромную роль в разгадке особенностей строения, в расшифровке структуры молекулы ДНК сыграло учение американского биохимика Эрвина Чаргаффа. Основные положения его учения известны как правила Чаргаффа.

Структурными единицами нуклеиновых кислот являются – мононуклеотиды. Следовательно, нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды, где мононуклеотиды связываются между собой сложноэфирной связью. Ковалентный остов молекулы нуклеиновой кислоты составляют монотонно чередующиеся остатки фосфорной кислоты и пентозы, а азотистые основания как боковые группы стоят на равных расстояниях друг от друга связанные пентозами.




Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница