Генная инженерия

Вся современная биотехнология основана на генной инженерии.

Генная инженерия — направленная модификация биообъектов в результате введения искусственных генетических программ. Генная инженерия — это техника рекомбинантных ДНК.

Задачи генной инженерии:

  • • преодоление межвидовых барьеров и передача отдельных наследственных признаков от одних организмов к другим;
  • • изменение и интенсификация функций отдельных генов и улучшение, тем самым, эффективности штаммов;
  • • создание штаммов м.о., способных осуществлять принципиально новые процессы — утилизировать продукты переработки нефти и различные биологически активные вещества, которые являются загрязнителями окружающей среды;
  • • улучшение свойств штаммов путем переноса плазмиды (для прокариотов) в неспаривающиеся м.о.;
  • • конструирование новых генов и получение новых белковых соединений.

История генетической инженерии

В развитии генетической инженерии можно выделить этапы, перечисленные ниже.

  • 1. В 1944 г. О. Т. Эйвери (с соавторами) доказал, что носителем генетической информации служит ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота. Д. Уотсон и Ф. Крик в 1953 г. открыли структуру ДНК.
  • 2. Экспериментально подтверждена универсальность генетического кода.
  • 3. Развитие молекулярной генетики на примере Escherichia coli, ее вируса и плазмиды.
  • 4. Отработка простых методов введения в чужеродные клетки молекул ДНК вирусов и плазмид в активной форме, которая обеспечивает репликацию молекул ДНК и экспрессию кодируемых ими генов.
  • 5. Открытие ферментов, использующих ДНК в качестве субстрата катализируемых реакций. Особое значение имеют рестриктазы и лигазы.

Стратегия генной инженерии:

  • 1) в небольшую молекулу ДНК, способную реплицироваться автономно от хромосомы ферментативно встраивают молекулы ДНК любого изучаемого организма или искусственные сегменты ДНК;
  • 2) образующиеся молекулы вводят в чувствительные прокариотические или эукариотические клетки;
  • 3) в клетках гибридные молекулы ДНК реплицируются, размножая в своем составе встроенные фрагменты ДНК;
  • 4) с помощью специальных методов отбирают клоны клеток или вирусов, содержащие индивидуальные типы молекул гибридных ДНК;
  • 5) выявленные гибридные ДНК подвергают разностороннему изучению.

Уровни генной инженерии. Терминология

Различают три уровня генетической инженерии:

  • 1) генный — прямое манипулирование рекомбинантными ДНК, включающими отдельные гены;
  • 2) хромосомный — манипуляции с большими группами генов или целыми хромосомами;
  • 3) геномный — перенос всего или части генетического материала из одной клетки в другую.

Собственно генная инженерия играет как метод модификации биообъектов ведущую роль.

2-й и 3-й уровень (хромосомная и геномная инженерия) у прокариотов совпадают.

Прежде чем рассмотреть работу по этапам, дадим определения основных терминов.

Репликация — процесс удвоения двухветьевой ДНК обусловленный строением молекулы. При удвоении с каждым основанием спаривается комплементарное ему основание: тимин с аденином (Т-А) и цитозин с гуанином (Ц-Г). В результате образуются две новые двойные спирали. Одна из составных частей каждой двойной спирали является родительской, а вторая — синтезированной. Это обеспечивает сохранность генетической информации родительской ДНК (как сохранение комплементарности родительской ДНК).

В процессе репликации участвуют различные ферменты (ДНК-полимеразы) и регуляторные белки.

Транскрипция ДНК является составляющей частью процесса биосинтеза РНК в клетке. РНК — переносит генетическую информацию от ДНК к рибосомам, где происходит синтез белков. Таким образом, рибосома не контактирует с ДНК.

В контакте с ДНК синтезируется матричная РНК (мРНК), называемая также информационной РНК (иРНК). Этот биосинтез осуществляется ферментами РНК-полимеразами.

Трансляция — многоступенчатый процесс синтеза белков согласно информации, заключенной в мРНК. Трансляция осуществляется на рибосомах. В этом синтезе участвуют различные белковые соединения (белковые факторы, ферменты) и молекулы транспортной РНК (тРНК), несущие активированные аминокислоты. Считывание нуклеотидной последовательности мРНК происходит по законам генетического кода, согласно которому каждой аминокислоте соответствует триплет нуклеотидов (кодон). Последовательность кодонов определяет аминокислотную последовательность синтезируемого белка. Молекула тРНК содержит антикодоны — последовательности нуклеотидов, комплиментарные кодонам. Таким образом, тРНК является адаптором, который обеспечивает соответствие между кодоном и кодируемой аминокислотой. Наличие адаптера — главное отличие трансляции от транскрипции и репликации.

Транспортная РНК растворима, содержит всего в среднем 80 нуклеотидов.

Наследственная информация о строении белков организма (генетический код) передается с помощью 64 кодонов (нуклеотидных триплетов). Из всех возможных 64 триплетов 61 — смысловые, они соответствуют определенным аминокислотам, а три — не кодируются (стоп-кодоны).

Ниже дано толкование терминов, которые используются в генной инженерии.

Плазмиды — двухцепочечные кольцевые молекулы ДНК, которые содержат гены, придающие клеткам прокариотов определенные свойства.

Бактеритофаги — вирусы, поражающие и уничтожающие бактерии. Они очень малы, не имеют собственного обмена веществ. Содержат только один вид нуклеиновой кислоты — либо ДНК, либо РНК, либо даже одноветьевую ДНК.

ДНК фага, проникшая в клетку (пробиванием дырки, растворением) синтезирует ферменты, которую делают возможным синтез фаговой ДНК, а затем и самой ДНК. Наконец, внутри клетки-хозяина происходит сборка комплектных фаговых частиц. Если фаг перенести из солевого раствора в дистиллированную воду оболочка головки разрывается и высвобождается белок (ДНК).

Конъюгация — перенос некоторых плазмид (конъюгатив- ных) из одной клетки бактерии (донорной мужской) в другую (женскую реципиентную) по половым ворсинкам (белковым трубочкам). Неконъюгативные плазмиды тоже могут передаваться с помощью плазмид — помощников.

Трансфекция — передача всего набора генов вируса или фага.

Трансдукция — передача ДНК от клетки донора клетке реципиента при участии бактериофага, который переносит небольшие фрагменты ДНК. Встречается трансдукция общая (неспецифическая) - перенос любого фрагмента ДНК хозяина и специфическая — перенос строго определенного фрагмента (у Salmonella, Escherichia и др.).

Трансформация — передача генов из клетки в клетку без переносчиков и межклеточных контактов. Осуществляется с помощью свободной растворимой ДНК, выделенной из клетки донора.

Компетенция — способность клеток поглощать ДНК. Обмен участками хромосомной ДНК в основном ограничен пределами одного вида или рода.

Вектор, или векторная молекула — молекула ДНК, способная акцентировать чужеродную ДНК и автономно реплицироваться. Вектором может служить плазмида, бактериофаг, вирус животного.

Вектор в молекуле рекомбинантной ДНК обеспечивает механизм репликации и экспрессии.

Репликон — фрагмент клонируемой (чужеродной) ДНК, содержащий интересующие исследователя генетические элементы, которые могут реплицировать в клетке автономно от хромосомы.

Рекомбинантная ДНК (химерная) — молекула ДНК, полученные вне живой клетке (in vitro) путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться в клетке.

Экспрессия — синтез продуктов по информации введенного гена.

Самый распространенный метод получения рекомбинантных ДНК — рестриктазно-лигазный (ферменты).

Рестриктазы — ферменты, которые разрезают двухнитье- вую ДНК в определенном участке.

Метилазы — ферменты, которые метилируют основания и защищают их.

Химерные белки — составные белки, детерминируемые гибридными генами. Они состоят из ковалентно связанных аминокислотных последовательностей разных видов белков.

Ниже показана схема синтеза матричной РНК (мРНК) в контакте с ДНК.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >