"Биология. Углублённый уровень (для медицинских классов)", Пасечник В.В., Каменский А.А., Рубцов А.М. и др. / под ред. Пасечника В.В.
Биотехнология использует клетки, организмы и их жизненные процессы, чтобы получать полезные вещества и решать задачи медицины, сельского хозяйства и промышленности. Современные методы позволяют направленно менять наследственный материал, выращивать клетки и ткани вне организма и создавать клеточные линии-продуценты лекарств. Их возможности связаны с работой генов и способностью клеток делиться, а применение требует оценки медицинских, экологических и этических рисков.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Биотехнология — использование живых организмов, клеток и биологических процессов для получения полезных продуктов и решения практических задач. Иными словами, человек направляет работу живых систем на нужный результат, например на получение лекарства или пищевого продукта. Это понятие охватывает не только современные методы работы с ДНК, но и культивирование клеток и использование микроорганизмов в производстве. Поэтому биотехнологию считают общей областью, включающей несколько разных направлений.
Генная инженерия — направленное изменение генетического материала и перенос нужных генов в клетки другого организма. Ген — участок ДНК, содержащий информацию о продукте или функции. Если нужный ген перенести в клетку-продуцент, она может производить заданное вещество. Такой подход используют, когда требуется получить полезный признак или биологически активный продукт.
Клеточная инженерия — конструирование клеток и организмов из отдельных клеток, их гибридизация и выращивание in vitro. Термин in vitro означает «вне организма»: клетки поддерживают в специально созданной питательной среде. Так можно размножать клетки, объединять их или выращивать ткани в контролируемых условиях. Метод важен, когда исходного клеточного материала мало, а получить его нужно больше.
Трансгенный организм — организм, в геном которого введён ген другого вида или искусственно созданная генетическая конструкция. Геном — совокупность наследственного материала организма. Трансгенность связана именно с наличием внесённой конструкции, а не просто с появлением необычного признака. Это различие помогает не смешивать трансгенные организмы с результатами других способов селекции.
В основе биотехнологии лежат два свойства клеток: они способны считывать наследственную информацию и размножаться. Благодаря первому свойству ген может задавать синтез определённого белка, а благодаря второму клетку можно размножить и получить много копий. Если клетка получила нужную конструкцию и сохраняет её при делении, она способна передавать её дочерним клеткам. Поэтому удачно созданная клеточная линия может долго производить требуемое вещество.
Чтобы получить рекомбинантную ДНК, сначала выделяют нужный ген, а затем соединяют его с вектором — молекулой-носителем, которая помогает доставить ген в клетку. Вектором может быть, например, плазмида, небольшая кольцевая молекула ДНК бактерии. Ферменты рестрикции разрезают ДНК в определённых участках, а ДНК-лигаза соединяет фрагменты. Полученную конструкцию вводят в клетку-хозяина, после чего отбирают клетки, в которых она сохранилась и работает.
Клетки и ткани выращивают in vitro в питательной среде с подходящими условиями, потому что вне организма они не получают вещества от других органов. Подбор состава среды и температуры позволяет поддерживать их деление и развитие. Из небольшого количества растительного материала можно получить множество клеток, а затем — растения-клоны с близкими наследственными признаками. Культуры клеток также помогают получать некоторые лекарственные препараты, поскольку клетки могут синтезировать нужные вещества в контролируемых условиях.
Генная инженерия позволяет создавать микроорганизмы или клеточные линии, которые производят человеческий инсулин, гормоны, компоненты вакцин и другие биологически активные вещества. Для этого клетке передают ген, содержащий информацию о нужном продукте, и создают условия для его работы. Клетка использует собственные механизмы синтеза белка, поэтому генетическая конструкция должна быть совместима с клеткой-хозяином. Полученное вещество затем отделяют и очищают, чтобы использовать по назначению.
Достижения биотехнологии применяют в медицине для производства лекарств и диагностики, в сельском хозяйстве — для создания растений с полезными свойствами, а в пищевой промышленности — при производстве продуктов с помощью микроорганизмов. В охране окружающей среды организмы могут использовать для разложения или удаления некоторых загрязнителей. При этом оценивают возможное влияние продукта на здоровье, другие виды и экосистемы. Контроль необходим также потому, что изменения могут распространяться за пределы исходной культуры или хозяйства.
Таблица показывает, какой метод лежит в основе каждого направления и какой практический результат он даёт. При сравнении сначала определите исходный объект и способ его изменения, а затем соотнесите их с применением. Направления могут пересекаться: например, трансгенный организм создают с помощью генной инженерии, а его клетки затем выращивают в культуре.
| Направление | Основной метод | Получаемый результат | Практическое применение |
|---|---|---|---|
| Генная инженерия | Выделение и перенос гена, создание рекомбинантной ДНК | Клетка с новой генетической конструкцией или заданным свойством | Получение лекарственных белков, исследование функций генов |
| Клеточная инженерия | Культивирование, слияние и отбор клеток | Клеточные культуры, гибридные клетки, растения из клеток | Размножение растений, получение клеточного материала |
| Клонирование | Получение генетически близких копий клеток или организмов | Клон — копия с тем же или почти тем же наследственным материалом | Размножение клеток и растений, научные исследования |
| Трансгенные организмы | Введение в геном чужеродного гена или искусственной конструкции | Организм с новым наследуемым генетическим материалом | Исследования, сельское хозяйство, производство веществ |
| Генная терапия | Доставка генетического материала в клетки пациента | Изменение работы генов в выбранных клетках | Лечение или смягчение некоторых наследственных заболеваний |
| Культивирование клеток и тканей | Выращивание вне организма в питательной среде | Клеточный материал, ткани или целые растения | Медицина, исследования, размножение растений и получение препаратов |
Условие. Определите направление биотехнологии и объясните этапы получения человеческого инсулина с помощью генетически изменённых бактерий. Здесь важно отличить перенос гена от простого выращивания бактерий. Вопрос спрашивает не только о методе, но и о том, как изменение приводит к получению продукта.
Ответ. Это генная инженерия, а полученные бактерии — клетки-продуценты. Последовательность включает выделение гена, создание рекомбинантной ДНК, перенос в бактерию, отбор клеток и получение очищенного продукта. Каждый этап нужен, чтобы клетка получила ген, могла его использовать и выработать достаточно вещества.
Условие. Сравните получение нового сорта растения методом культуры тканей и создание растения, устойчивого к насекомым, путём введения чужеродного гена. В первом случае исходным материалом служат клетки самого растения. Во втором важно определить, откуда берётся новый признак и как он попадает в организм.
Ответ. Культура тканей размножает клетки и растения в контролируемых условиях, тогда как генная инженерия направленно меняет генетический материал. Различаются исходный материал и способ получения признака. Культура тканей даёт клональный материал, а введение чужеродного гена позволяет создать организм с новой генетической конструкцией.
Условие. Оцените перспективы и риски генной терапии наследственного заболевания: укажите, какие клетки нужно изменить и почему эффект может быть ограниченным. Нужно связать выбор клеток с тем, как долго сохраняется результат и будет ли он передан потомству. Также следует учитывать, что доставка генетического материала — отдельная сложная задача.
Ответ. Для лечения изменяют соответствующие соматические клетки пациента, а не половые клетки. Генная терапия может уменьшить проявления болезни, но не гарантирует пожизненного эффекта из-за ограниченной доставки, обновления клеток и возможного иммунного ответа. Результат оценивают отдельно для конкретного метода и заболевания.
Ошибка — отождествлять биотехнологию только с генной инженерией. Её допускают потому, что перенос генов часто обсуждают как самый современный пример применения биологии. Но область включает также клеточные и тканевые методы, культивирование и использование процессов, например ферментации. Проверьте себя: если в задаче нет изменения ДНК, может ли она всё равно описывать работу с клетками или микроорганизмами?
Ошибка — называть трансгенным любой организм с изменённым признаком. Признак может измениться и по другим причинам, например из-за отбора, мутации или условий среды. Трансгенность означает наличие в геноме внесённого гена другого вида либо искусственной генетической конструкции. Чтобы проверить ответ, спросите себя: указано ли именно введение такого генетического материала?
Ошибка — путать клонирование с половым размножением. Путаница возникает потому, что оба процесса приводят к появлению потомков или новых организмов. При клонировании не происходит сочетания наследственного материала двух родителей, тогда как гибрид получает его от генетически различающихся организмов. Для проверки сравните, объединялись ли в задаче половые клетки или генетический материал двух родителей.
Ошибка — считать генную терапию гарантированным лечением. Такое ожидание появляется из-за представления, будто достаточно внести исправный ген, чтобы сразу изменить работу всего организма. На деле генетический материал нужно доставить в нужные клетки, а эффект может быть временным или неполным; возможен и иммунный ответ. Проверьте себя: названы ли способ доставки, тип клеток и ограничения метода?
Для понимания темы нужны знания о строении ДНК, генах, геноме, генетическом коде, делении клеток и регуляции работы генов. Представление о клетке, стволовых клетках и дифференцировке объясняет, почему разные клетки выполняют разные функции и как их выращивают. Рестриктазы и ДНК-лигаза помогают понять создание рекомбинантной ДНК. Эти знания пригодятся при изучении медицины и наследственных заболеваний, иммунологии, селекции и экологии, а также биологической безопасности.
Чем биотехнология отличается от генной инженерии?
Биотехнология — широкая область, которая применяет организмы, клетки и биологические процессы для получения полезных результатов. Генная инженерия — одно из её направлений: она целенаправленно изменяет ДНК и переносит нужные гены.
Зачем в генетически изменённую клетку вводят вектор?
Вектор — носитель, который доставляет нужный ген в клетку и помогает ему оказаться в подходящей молекулярной среде. В качестве вектора могут использовать, например, плазмиду — небольшую кольцевую молекулу ДНК бактерии.
Всегда ли трансгенный организм опасен для человека и природы?
Нет, сам факт наличия внесённой генетической конструкции не означает опасность. Риски оценивают отдельно для каждого организма и способа его применения: проверяют возможное влияние на здоровье, другие виды и экосистемы.
Чем клонирование отличается от получения гибрида?
При клонировании получают генетически близкие или практически идентичные копии без соединения наследственного материала двух родителей. Гибрид возникает при скрещивании генетически различающихся организмов и сочетает признаки обоих.
Почему генная терапия не всегда даёт пожизненный лечебный эффект?
Генетическую конструкцию бывает сложно доставить во все нужные клетки, а часть клеток со временем заменяется новыми. Кроме того, эффект может ослабнуть, а иммунная система — отреагировать на вектор или введённый ген.
§ 51. Современные достижения биотехнологии
