2Билет Плазмиды — внехромосомные мобильные генетические структур. 2Билет Плазмиды
 Скачать 421.5 Kb.
|
|
2Билет Плазмиды — внехромосомные мобильные генетические структуры бактерий, представляющие собой замкнутые кольца двунитчатой ДНК. По размерам составляют 0,1—5 % ДНК хромосомы. Способны автономно копироваться (реплицироваться) и существовать в цитоплазме клетки, поэтому в клетке может быть несколько копий плазмид. Плазмиды могут включаться (интегрировать) в хромосому и реплицироваться вместе с ней. Различают трансмиссивные и нетрансмиссивные плазмиды. Трансмиссивные (конъюгативные) плазмиды могут передаваться из одной бактерии в другую. Среди фенотипических признаков, сообщаемых бактериальной клетке плазмидами, можно выделить следующие: 1) устойчивость к антибиотикам;2) образование колицинов; 3) продукция факторов патогенности;4) способность к синтезу антибиотических веществ;5) расщепление сложных органических веществ;6) образование ферментов рестрикции и модификации. Термин «плазмиды» Дж. Ледербергом (1952) для обозначения полового фактора бактерий. Плазмиды несут гены, не обязательные для клетки-хозяина, придают бактериям дополнительные свойства, которые в определенных условиях окружающей среды Некоторые плазмиды находятся под строгим контролем. Это означает, что их репликация сопряжена с репликацией хромосомы так, что в каждой бактериальной клетке присутствует одна или несколько копий плазмид. Число копий плазмид, находящихся под слабым контролем, может достигать от 10 до 200 на бактериальную клетку. Для характеристики плазмидных репликонов их принято разбивать на группы совместимости. Несовместимость свойственна тем плазмидам, которые обладают высоким сходством репликонов, поддержание которых в клетке регулируется одним и тем же механизмом. Некоторые плазмиды могут обратимо встраиваться в бактериальную хромосому и функционировать в виде единого репликона. Такие плазмиды называются интегративными или эписомами. У бактерий различных видов обнаружены R-плазмиды, несущие гены, ответственные за множественную устойчивость к лекарственным препаратам — антибиотикам, сульфаниламидам и др., F-плазмиды, или половой фактор бактерий, определяющий их способность к конъюгации и образованию половых пилей, Ent-плазмиды, детерминирующие продукцию энтеротоксина. Соl-фактор, или фактор колициногенности, определяет способность бактерий образовывать особые вещества, которые вызывают гибель близкородственных штаммов. Впервые эти вещества были обнаружены в культуре кишечной палочки, поэтому их назвали колицинами. Продукция веществ, подобных колицинам, в дальнейшем бы¬ла установлена и у других бактерий: холерного вибриона (вибриоцины), бактерий чумы (пестицины) и т. д. Эти вещества стали называть бактериоцинами. Они имеют белковую природу, обладают способностью адсорбироваться на поверхности бактериальной клетки, подавляют в ней обменные процессы и вызывают гибель клетки. Бактериоцины действуют только на бактерии, близкородственные продуценту. Продукция бактериоцинов чаще всего смертельна для клеток, продуцирующих их. Способность клетки к продукции бактериоцинов определяет автономная плазмида, называемая Соl-фактором. В естественных условиях только единичные клетки в популяции (1 на 1000) спонтанно продуцируют бактериоцины. При ультрафиолетовом облучении число продуцентов увеличивается/Способность бактериальных клеток продуцировать бактериоцины и специфичность их действия могут быть использованы для эпидемиологических целей при типировании культур, выделенных в очагах, с целью выявления источника инфекции. Предложена схема колицинотипирования возбудителей дизентерии. Пенициллиназные плазмиды золотистого стафилококка обусловливают образование активного фермента пенициллиназы, который разрушает пенициллин. Поэтому антибиотик, эффективный в начале его применения при лечении стафилококковых инфекций, перестал оказывать действие на штаммы стафилококка, ставшие к нему устойчивыми. Плазмиды могут определять вирулентность бактерий, например возбудителей чумы, столбняка, способность почвенных бактерий использовать необычные источники углерода, контролировать синтез белковых антибиотикоподобных веществ — бактериоцинов, детерминируемых плазмидами бактериоциногении Плазмиды подвержены рекомбинациям, мутациям, могут быть элиминированы (удалены) из бактерий, что, однако, не влияет на их основные свойства. Являются удобной моделью для экспериментов по искусственной реконструкции генетического материала, широко используются в генетической инженерии для получения рекомбинантных штаммов. Благодаря быстрому самокопированию и возможности конъюгаци-онной передачи плазмид внутри вида, между видами или даже родами плазмиды играют важную роль в эволюции бактерий. Связь с другими науками, задачи и перспективы Фундамент биотехнологии составили такие науки, как микробиология, вирусология, физиология, биохимия, генетика, селекция, цитология, молекулярная биология, генетическая инженерия, клеточная инженерия, энзимология, иммунология, биофизика, экология, медицина, сельскохозяйственные науки, химия, физика, математика, кибернетика и др. Можно выделить, по крайней мере, четыре направления, определивших развитие биотехнологии. Прежде всего, это наиболее «старая» область - микробиология. Микробиология - наука о микроорганизмах. Основные преимущества промышленного культивирования микроорганизмов: простота их организации, высокая скорость роста и размножения, большое разнообразие физиологических и биохимических свойств, способность развиваться в условиях непригодных для жизни других организмов, способность разлагать сложные органические соединения (белки, углеводы, в том числе целлюлозу и т.п.), вещества, токсичные для человека и животных (например, метанол, сероводород и т.п.), ксенобиотики (вещества неприродного происхождения). На настоящем этапе именно микробиологические процессы в наибольшей степени развиты до уровня промышленного использования. крупнотоннажное производство микробной биомассы, антибиотиков и других лекарственных веществ, аминокислот. Инженерная энзимология - это отрасль биотехнологии, базирующаяся на использовании каталитических функций ферментов (или ферментных систем) в изолированном состоянии или в составе живых клеток для получения соответствующих целевых продуктов. Биообъект (в данном случае) - фермент (или комплекс ферментов). На практике обычно используются иммобилизованные ферменты (иммобилизованные клетки), благодаря чему стабилизируется и пролонгируется их ферментативная активность. Иногда инженерную энзимологию отождествляют с биотехнологией. В этом содержится большая доля истины, так как все реакции в клетках катализируются ферментами. Однако термин «инженерная» привносит свою специфику, заключающуюся в акценте на создание конструкции, в данном случае - на конструирование биокатализаторов с заданными свойствами с последующим их использованием в биотехнологическом процессе. генная инженерия и клеточная инженерия - самые молодые, но очень перспективные области биотехнологии. Первое состоит в искусственном конструировании молекул ДНК, несущих всю генетическую информацию о данном организме, т.е. заключающих в себе всю программу его роста и развития. Таким образом, можно направленно влиять на наследственность и получать новые виды с необходимыми свойствами. Генетическая инженерия - один из важнейших методов биотехнологии, предполагающий целенаправленное искусственное создание определенных комбинаций генетического материала, способных нормально функционировать в клетке, т.е. размножаться и контролировать синтез конечных продуктов. Таким образом, генетическая инженерия включает выделение из клеток отдельных генов или синтез генов вне клеток, направленную перестройку, копирование и размножение выделенных или синтезированных генов, а также их перенос и включение в подлежащий изменению геном и таким путем можно добиться включения в клетки бактерий «чужых» генов и синтеза бактериями важных для человека соединений. Развитие генетической инженерии стало возможным благодаря открытию двух ферментов: рестриктаз, разрезающих молекулу ДНК в опр участках и лигаз, сшивающих участки различных молекул ДНК друг с другом. Кроме того, в основе генетической инженерии лежит открытие векторов (короткие, самостоятельно размножающиеся в клетках бактерий кольцевые молекулы ДНК). С помощью рестриктаз и лигаз в векторы встраивают необходимый ген, добиваясь в последствии его включения в геном клетки-хозяина. Различают следующие виды генетической инженерии: 1. Генная инженерия: её сущность состоит в целенаправленном использовании перестроек естественного генома, осуществляемых in vivo и in vitro, для изменения генетических характеристик известных вирусов и клеток, прямое манипулирование рДНК, включающими отдельные гены. 2. Геномная инженерия: её сущность заключается в целенаправленной глубокой перестройке генома акариот, прокариот и эукариот, вплоть до создания новых видов, т.е. перенос всего или большей части генетического материала от одной клетки к другой. При геномной инженерии возможно получение половых (слиянием гамет) и соматических (слиянием неполовых клеток) гибридов. 3. Хромосомная инженерия связана с переносом изолированных хромосом от клетки-донора одного организма в клетку-реципиент другого организма. В основе клеточной инженерии лежит культивирование клеток и тканей высших организмов - растений и животных. Клеточная инженерия - это метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции, базирующийся на использовании методов культуры клеток и тканей. Выделяют два направления развития клеточной инженерии: 1. использование клеток, переведенных в культуру, для синтеза различных соединений; 2. применение культивируемых клеток для получения из них растений-регенератов. Растительные клетки в культуре - это важный источник ценнейших природных веществ, т.к. они сохраняют способность синтезировать свойственные им соединения: алкалоиды, эфирные масла, смолы, биологически активные вещества и т.п.Причем в культуре с клетками легче проводить любые манипуляции, используя индуцированный мутагенез, можно повышать продуктивность штаммов культивируемых клеток и проводить их гибридизацию гораздо проще, чем на уровне целостного организма. Кроме того, с ними, как и с прокариотическими клетками, можно проводить генно-инженерные работы. Таким образом, клеточная инженерия позволяет конструировать клетки нового типа, комбинировать отдельные фрагменты клеток (ядра, митохондрии, пластиды, цитоплазму и хромосомы и т.п.), соединять клетки различных видов, относящиеся не только к разным родам, семействам, но и царствам. Клеточная инженерия широко используется в селекции растений. Выделены гибриды томата и картофеля, яблони и вишни. Регенерированные из таких клеток растения с измененной наследственностью позволяют синтезировать новые формы, сорта, обладающие новыми свойствами и устойчивые к неблагоприятным условиям среды и болезням. Этот метод широко используется и для «спасения» ценных сортов, пораженных вирусными болезнями. Основные цели и задачи биотехнологии:
Также в задачи биотехнологии входит создание и широкое освоение:
Большая ценность современной биотехнологии заключается, главным образом, в возможности идентифицировать специфическую генетическую информацию, клонировать и привести к экспрессии. Благодаря этому индивидуальные гены и продукты, которые эти гены кодируют, становятся доступными для исследования и использования. Иногда в качестве медикамента может быть использован сам генетический продукт. К первому поколению биотехнологических продуктов принадлежат «биопрепараты». Медико-биотехнологические исследования также позволили достичь лучшего понимания патогенеза и фармакологии. В связи с этим при разработке улучшенных и новых медикаментов очень важно изучение эндогенных медиаторов (таких, как гормоны, факторы роста, нейромедиаторы и т.д.), их рецепторов и клеточных реакций, которые эти медиаторы осуществляют. Биопрепараты. Первой важной разработкой явилось создание технологии, позволяющей идентифицировать, изолировать или синтезировать и привести к экспрессии в клетке хозяина гены, которые кодируют человеческие полипептидные гормоны. Первые «рекомбинантные биопрепараты», инсулин и гормон роста, являются относительно простыми белками, которые могут производится бактериями, например, Escherichia coli. Другие белки, такие как эпоэтин (эритропоэтин), человеческий хориогонадотропин (ЧХГ) и менопауза-гонадотропин (фолликулостимулирующий гормон - ФСГ), имеют гораздо более сложное строение. При продукции этих гормонов после синтеза белков (трансляции) следует еще несколько биохимических реакций, например, реакция присоединения углеводородных боковых цепей. Эти углеводороды обеспечивают биологическую активность белков. Так как бактерии не в состоянии осуществлять комплексные биохимические реакции, такие как гликозилирование, для подготовки рекомбинантных ДНК гликопротеинов должны использоваться клетки более высокоорганизованных организмов, например, клетки млекопитающих. В настоящее время разработано большое число «систем хозяев» (например, бактерии - дрожжи - клетки млекопитающих), благодаря чему возможна эффективная продукция большого числа разнообразных белков. Некоторые медикаменты уже производятся с использованием биотехнологии. Инсулин (хумулин), соматотропин (химатроп), интерферон (роферон, интрон А, имукин, фрон), эпоэтин (апрекс, рекормон), и различные человеческие антитела уже применяются при лечении гормональных недостаточностей, тромбоза, воспалений и рака. Многие другие белки в настоящий момент проходят клинические испытания на терапевтическую ценность. Ожидается, что в ближайшие годы будет идентифицировано еще много новых белков. Некоторые из них, безусловно, окажутся ценными медикаментами. Новым направление получения биопрепаратов является мутагенез - синтез биологически активных белков с измененным действием. Белки часто представляют собой большие молекулы, различные участки которых выполняют собственные функции, например, связывание с другими белками и ферментативная активность. Участки одних белков часто могут быть встроены в другие, благодаря чему возникает новый продукт, объединяющий в себе желательные качества нескольких различных белков. Этот подход используется в «инженерии антител», с его помощью осуществляются, например, «гуманизация» моноклональных антител, выделенных от мышей, и приготовление иммунотоксинов. Однако с использованием белков связаны не только большие ожидания, но и серьезные проблемы. При парентеральном применении белка быстро расщепляются протеазой в плазме и в печени. Оральное применение белков практически невозможно из-за расщепления в желудочно-кишечном тракте и отсутствия абсорбции. С терапевтическими целями белки, таким образом, должны применятся парентерально. Это приемлемо в острых случаях, когда существует угроза жизни. При хронических заболеваниях длительное парентеральное применение создает много неудобств для пациента. Проводится много исследований, направленных на поиск альтернативных фармацевтических лекарственных форм, таких как назальный спрей и имплантанты. Другим способом решения проблемы является модификация белков и пептидов с тем, чтобы сделать возможным их оральное применение, причем изменяются физико-химические качества белка, а его физиологическая активность сохраняется. В общем модификация направлена на стабилизацию белка против протеолитического разложения и на улучшение транспорта через мембрану. Часто стараются применять лишь ту часть или те части белка, которые непосредственно взаимодействуют с «мишенью» в организме. Полученные таким образом биоактивные пептиды могут быть впоследствии использованы в качестве «ведущего состава» для синтеза орально активных и / или метаболически стабильных пептидов. Подобный подход был применен при разработке нейропептидов, производных кортикотропина (адренокортикотропный гормон - АКТГ). Большое будущее принадлежит работам по расшифровке и пересадке генов азотфиксации. Известны микроорганизмы (клубеньковые бактерии), которые в симбиозе с некоторыми растениями способны усваивать атмосферный азот. Если ввести гены с таким «характером» в генетический аппарат других микроорганизмов и злаковых растений, то была бы снята проблема азотистых удобрений. Сейчас над этой проблемой трудятся коллективы многих институтов. Современная наука позволяет культивировать на искусственных средах не только микроорганизмы, но и клетки растений и животных. Из одной растительной клетки в определенных условиях можно выращивать целое растение, а также получать биомассу, содержащую все компоненты взрослого растительного организма. |