лекции современные. Курс лекций для обучающихся по направлению подготовки 36. 04. 02 Зоотехния (уровень высшего образования магистратура) профиль подготовки Технология производства продуктов животноводства (скотоводство)
 Скачать 134.18 Kb.
|
|
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования«Южно-Уральский государственный аграрный университет»Институт ветеринарной медицины А.А. Белооков, О.В. БелооковаСовременные методы биотехнологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции Курс лекций для обучающихся по направлению подготовки 36.04.02 Зоотехния Уровень высшего образования магистратура Профиль подготовки «Технология производства продуктов животноводства (скотоводство)» Магистерская программа «Управление качеством производства молока и говядины» Троицк 2015  УДК 631. 147 (075)ББК 65. 9 (2) Рекомендован к изданию Методической комиссии факультета биотехнологии протокол № 2 от 29.10.2015 г. Рекомендован к изданию Методическим советом Института ветеринарной медицины ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ (протокол № 2 от «18» ноября 2015 г.) Рецензент: С.А. Гриценко, доктор биологических наук, профессор Белооков, А.А. Современные методы биотехнологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции: Курс лекций для обучающихся по направлению подготовки 36.04.02 Зоотехния (уровень высшего образования магистратура) профиль подготовки «Технология производства продуктов животноводства (скотоводство)» Магистерская программа «Управление качеством производства молока и говядины» / А.А. Белооков, О.В. Белоокова. - Троицк: Южно-Уральский ГАУ, 2015. - 60 с. В данном курсе лекций раскрыты основные представления о биотехнологии, ее направлениях, этапах развития, методах и областях применения. Курс лекций будет полезен для специалистов животноводства, бакалавров, магистров, аспирантов и студентов аграрных вузов. УДК 631. 147 (075)ББК 65. 9 (2) © ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ Институт ветеринарной медицины Содержание
Введение Биотехнология как наука возникла в 1950-х гг. и в настоящее время является одним из приоритетных научных направлений. Именно с достижениями в области биотехнологии связывают не только повышение благосостояния человечества в будущем, но и увеличение продолжительности жизни людей. Быстрое развитие биотехнологии обусловлено интенсивным развитием биологии, успехами в познании жизненных явлений, прежде всего в области микробиологии, энзимологии, молекулярной биологии и молекулярной генетики. Все это позволило объединить разрозненные прикладные направления в новую единую фундаментальную науку о практическом использовании биологии в целом (а не отдельных ее ветвей, как это было прежде) — биотехнологию. Биотехнология — это и технологические процессы, осуществляемые с использованием различных биологических систем, включая как живые организмы (от микроорганизмов до клеток животных и растений), так и их компоненты (ферменты, витамины и т. д.). Микроорганизмы стали основой для производства целого ряда полезных продуктов (органических кислот, этанола для технических целей, ферментов, витаминов, антибиотиков и т. п.). Культивируемые в условиях in vitro растительные и животные клетки нашли применение в сельском хозяйстве (растениеводстве, животноводстве), при получении физиологически активных веществ, фармацевтических препаратов, моноклональных антител и других продуктов. В биологической промышленности используются разнообразные биомолекулы, а также иммобилизованные ферменты, что позволило решить часть технологических проблем. Важное направление современной биотехнологии — генетическая инженерия. Она предоставила исследователям новую, исключительно ценную возможность изменения генетической программы бактериальных, растительных и животных клеток. И это направление исследований уже приносит большие научные и практические результаты. Нет сомнений, что биотехнология является одним из важных направлений научно-технического прогресса. Она внесет (и уже внесла) большой вклад в обеспечение растущего населения Земли продовольствием, благодаря ее достижениям принципиально улучшится состояние медицины и ветеринарии, в постнефтяную и постгазовую эры будут созданы новые виды топлива, а также сырьевая база и технологии переработки возобновляемого сырья для химической индустрии. Несомненен значительный вклад биотехнологии в защиту окружающей среды. Биотехнология — одна из перспективных и высокорентабельных отраслей производства. Например, в США насчитывается более 1500 биотехнологических компаний (во всем мире их свыше 3 тыс.), в числе которых крупнейшие химические и фармацевтические концерны Monsanto, Du Pont, American Cyanamid, Merck, Novartis и др. В других странах, где инвестиционный климат не столь благоприятен и бизнес менее активен, главную роль в создании биотехнологических предприятий играют крупные корпорации и государство. Быстро развивается и западноевропейская биотехнологическая индустрия, в которой занято свыше 600 биотехнологических компаний. В России также уделяется значительное внимание развитию биотехнологии. Уже имеются биотехнологические разработки мирового уровня, внедрение которых приносит ощутимую пользу обществу. Так, уникальная микробиологическая технология регулирования микрофлоры пластов, разработанная в Институте микробиологии РАН, позволила компании «Татнефть» получить дополнительно около полумиллиона тонн «черного золота». По новой технологии Института микробиологии РАН с 2001 г. в Красноярском крае на золотодобывающем комбинате работает восемь ферментеров. Создан новый способ снижения концентрации метана в шахтах с использованием метанотрофных бактерий. Разработаны и производятся флокулянты для фильтрации воды в очистных сооружениях, созданы оригинальные технологии производства ферментов для стиральных порошков (Гос. НИИ Генетика РАН). Достижения биотехнологии приносят реальную пользу народному хозяйству и людям, когда на их основе открываются промышленные производства, создающие в значительных количествах практически ценные продукты, что и является основной задачей биотехнологов. Курс лекций будет полезен для специалистов животноводства, бакалавров, магистров, аспирантов и студентов аграрных вузов. Лекция 1. Понятие о биотехнологии, задачи биотехнологии История возникновения и развития биотехнологии Понятие о биотехнологии, задачи, принципы биотехнологии История возникновения и развития биотехнологии 1. Понятие о биотехнологии, цели, задачи, принципы биотехнологии Биотехнология - это новая, сравнительно недавно получившая широкое развития наука о практическом использование различных биологических объектов (генов, клеток, тканей, микроорганизмов, растений и животных) с целью получения антибиотиков, ферментов, кормовых белков, биоудобрений, безвирусных растений, новых сортов растений и животных, переработки сырья, промышленных и сельскохозяйственных отходов, очистки сточных вод и газовоздушных выбросов и так далее. Успехи, достигнутые в области биотехнологии, стали возможными благодаря бурному развитию таких наук, как биохимия, генетика, цитология, микробиология, молекулярная биология, клеточная и генетическая инженерии и другие. Основная цель биотехнологии – промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. Во многих странах мира биотехнологии придается первостепенное значение. Это связано с тем, что биотехнология имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами технологий, например, химической. Низкая энергоемкость. Биотехнологические процессы совершаются при нормальном давлении и температурах 20-40° С. Биотехнологическое производство чаще базируется на использовании стандартного однотипного оборудования. Однотипные ферментеры применяются для производства аминокислот, витаминов; ферментов, антибиотиков. Биотехнологические процессы несложно сделать безотходными. Микроорганизмы усваивают самые разнообразные субстраты, поэтому отходы одного какого-то производства можно превращать в ценные продукты с помощью микроорганизмов в ходе другого производства. Безотходность биотехнологических производств делает их экологически наиболее чистыми. Экологическая целесообразность биотехнологических производств определяется также возможностью ликвидации с их помощью биологических отходов - побочных продуктов пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, в сельском и городском хозяйствах. Исследования в области биотехнологии не требуют крупных капитальных вложений, для их проведения не нужна дорогостоящая аппаратура. К первоочередным задачам современной биотехнологии относятся - создание и широкое освоение: новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста, антител); микробиологических средств защиты растений от болезней и вредите лей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений, новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии; ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, кормовых антибиотиков) для повышения продуктивности животноводства; новых технологий получения хозяйственно-ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности; технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений. Принципы биотехнологии: Принцип экономической обоснованности. Биотехнология внедряется только в те производственные процессы, которые нельзя эффективно и с теми же затратами реализовать средствами традиционной технологии. Аминокислоту лизин можно легко синтезировать химическим путем, но это весьма трудоёмкая процедура, поэтому лизин получают путем микробиологического синтеза. Принцип целесообразного уровня технологических разработок. Масштаб производства продукта, степень его очистки, уровень автоматизации производства - все это должно прямо определяться соображениями экономической выгоды, сырьевыми и энергетическими ресурсами, уровнем спроса готового продукта. Для получения препаратов медицинского назначения, которые требуются в количестве нескольких сотен граммов в год, целесообразно использовать небольшие биореакторы, крупномасштабное производство здесь себя не оправдывает. В большинстве современных микробиологических производств стремятся к использованию чистых культур икроорганизмов и к полной стерильности оборудования, сред, воздуха, но в некоторых случаях, продукт, удовлетворяющий потребителя (например, биогаз), может быть получен и без чистых культур, растущих в условиях не стерильности. Принцип научной обоснованности биотехнологического процесса. Научные знания позволяют заранее провести расчет параметров среды, конструкции биореактора и режима его работ. Принцип удешевления производства (максимальное снижение затрат). Как пример - использование в биотехнологических процессах энергии Солнца, естественных биореакторов - природных водоёмов - вместо рукотворных аппаратов, в частности, для получения биомассы одноклеточных водорослей. К основным разделам современной биотехнологии относятся микробиологический синтез, клеточная инженерия, генетическая инженерия. 2. История возникновения и развития биотехнологии История возникновения и развития биотехнологии включает три этапа. 1 этап - зарождение биотехнологии с древних времен до конца XVIII в. Археологические раскопки показывают, что ряд биотехнологических процессов зародились в древности. На территории древнейших очагов в Месопотамии, Египте сохранились остатки пекарен, пивоваренных заводов, сооруженных 4-6 тысячелетий назад. В 3 тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков сортов пива. В Древней Греции и Риме широкое распространение получили виноделие и изготовление сыра. В основе пивоварения и виноделия лежит деятельность дрожжевых грибков, сыроделия - молочнокислых бактерий, сычужного фермента Получение льняного волокна происходит с разрушением пектиновых веществ микроскопическими грибами и бактериями. Таким образом, наши предки в течение тысячелетий успешно использовали метод микробиологической ферментации для сохранения и улучшения вкуса пищи, производства спиртных напитков, изготовления одежды. Зарождение биотехнологии тесно связано с сельским хозяйством, переработкой растениеводческой и животноводческой продукции. 2 этап (XIX - первая половина XX в.) - становление биотехнологии как науки. Благодаря трудам JI. Пастера в конце XIX в. были созданы условия для дальнейшего развития прикладной (технической) микробиологии, а также в значительной мере и биотехнологии. Пастер установил, что микроорганизмы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют разные их виды. Это послужило основой развития в конце XIX — начале XX в. бродильного производства органических растворителей (ацетона, этанола, бутанола, изопропанола) и других химических веществ, где использовались разнообразные виды микроорганизмов. Этот этап связан с началом бурного развития биологических наук: генетики, микробиологии, вирусологии, цитологии, физиологии, эмбриологии. На рубеже XIX и XX вв. в ряде стран создаются первые биогазовые установки, в которых отходы животноводства и растениеводства под действием микроорганизмов превращались в биогаз (метан) и удобрение. В конце 40-х годов XX, века, с организацией крупномасштабного производства антибиотиков стала развиваться микробиологическая промышленность. Антибиотики нашли широкое применение не только в медицине, но и в сельском хозяйстве для лечения животных и растений, в качестве биодобавок в корма. Были созданы высокоэффективные формы микроорганизмов с помощью мутаций. Возникли предприятия, на которых с помощью микроорганизмов производились аминокислоты, витамины, органические кислоты, ферменты. В конце 60-х годов получила развитие технология иммобилизованных ферментов. 3 этап (с середины 70-х годов XX века) - ознаменовался развитием биотехнологии в различных направлениях с помощью методов генной и клеточной инженерии. Формальной датой рождения современной биотехнологии считается 1972г., когда была создана первая рекомбинативная (гибридная) ДНК, путем встраивания в нее чужеродных генов. До этого момента использовались, главным образом, физические и химические мутагены с целью создания форм микроорганизмов, синтезирующих ценные для человека вещества в 5 - 10 раз интенсивнее, по сравнению с исходными штаммами. Новейшая сельскохозяйственная биотехнология и биоинженерия — это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) растений, животных и микроорганизмов в целях расширения их разнообразия, интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения. В традиционном, классическом смысле биотехнологию можно определить как науку о методах и технологиях производства, транспортировки, хранения и переработки сельскохозяйственной и другой продукции с использованием обычных, нетрансгенных (природных и селекционных) растений, животных и микроорганизмов, в естественных и искусственных условиях. Высшим достижением новейшей биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных (природных или искусственно созданных) донорских генов в клетки-реципиенты растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными прежними свойствами и признаками. По своим целям и возможностям это направление является стратегическим. Оно позволяет решать принципиально новые задачи по созданию растений, животных и микроорганизмов с повышенной устойчивостью к стрессовым факторам среды, высокой продуктивностью и качеством продукции, по оздоровлению экологической обстановки в природе и всех отраслях производства. Мощный всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-е годы, когда новые методологические и методические подходы обеспечили переход к эффективному их использованию в науке и практике и возникла реальная возможность извлечь из этого большой экономический эффект. В нашей стране значительное расширение научно-исследовательских биотехнологических и биоинженерных работ и внедрение их результатов в производство также было достигнуто в 80-е годы. В этот период в стране была разработана и активно осуществлялась первая государственная программа по биотехнологии, создано 15 биотехнологических центров в АПК, подготовлены квалифицированные кадры специалистов-биотехнологов, организованы биотехнологические институты, лаборатории и кафедры в селекционных центрах, отраслевых и зональных научно-исследовательских учреждениях и вузах. Наибольших результатов в области сельскохозяйственной биотехнологии в эти годы достигли научные учреждения и учебные заведения селекционного, ветеринарного и микробиологического профилей, разработавшие методы и технологии получения новых линий и форм растений, медицинских препаратов профилактического и терапевтического действия, а также штаммов микроорганизмов, вакцин и других лечебных препаратов на генно-инженерной основе. В эти же годы были организованы лаборатории по трансплантации оплодотворенных зигот и эмбрионов в животноводстве, созданию новых линий скота и птицы генно-инженерными методами. Вопросы для самоконтроля: Какова основная цель биотехнологии? С какими науками связана биотехнология? Как происходило зарождение и становление биотехнологии? Какие выделяют принципы биотехнологии? Лекция 2. Генная инженерия бактерий, высших растений, животных и области ее примененияНуклеиновые кислоты и факторы наследственности у животных организмов Генная инженерия бактерий Генная инженерия растений Генная инженерия животных 1. Нуклеиновые кислоты и факторы наследственности у живых организмов Важнейшим компонентом всех живых организмов являются нуклеиновые кислоты: рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты (ДНК) могут быть одно- и двухцепочечные. ДНК, за редким исключением, двухцепочечные. РНК, за редким исключением, одноцецочечные. Важнейшая функция РНК - участие в процессе синтеза белков в клетке, ДНК - определение специфичности и передача единиц наследственности. Подавляющая часть ДНК сосредоточена в ядре, в цитоплазме эукариот содержится менее 1% всей ДНК клетки. ДНК эукариот почти вся находится в хромосомах ядер, лишь небольшое ее количество содержится в митохондриях, а у растений и в плазмидах. Суммарный материал хромосом - хроматин. Число хромосом колеблется от одной до 100, чаще 10-50. У эукариот хромосомы всегда парные, по две каждого сорта. Наследственными факторами или единицами наследственности у живых организмов являются гены, которые лежат в хромосомах в линейном порядке. Число генов в одной клетке человека находится в пределах между 5 и 125 тысячами. Бактерии содержат по одной хромосоме в форме замкнутой в виде кольца нити, состоящей из двухцепочной ДНК и не имеющей ядерной оболочки. В цитоплазме многих бактерий кроме хромосомной ДНК содержатся добавочные маленькие кольца ДНК, присутствие которых необязательно. Они получили название плазмид. Плазмиды несут информацию для 2-200 белков. Плазмидная ДНК составляет 1-15% от хромосомной ДНК бактерий. Плазмиды способны автономно размножаться и стабильно наследуются. Некоторые плазмиды способны включаться в хромосому бактерий. В одной клетке бактерий мелких плазмид - несколько десятков, крупных - одна или две. 2. Генная инженерия бактерий Процесс создания трансгенного организма достаточно сложен и часто требует индивидуального подхода. Однако в любом случае его можно подразделить на несколько общих этапов: Получение (выделение) нужного гена (трансгена), намеченного для переноса. Ген может быть выделен из естественных источников (из подходящего генома) или из геномной библиотеки; синтезирован искусственно - химическим (по имеющейся последовательности нуклеотидов) или ферментативным (с использованием механизма обратной транскриптазы) путем; получен с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР). Создание специальных генетических конструкций — векторов (переносчиков), в составе которых содержатся гены (трансгены), которые будут внедряться в геном другого вида или экспрессироваться в клетках про- или эукариот. Для конструирования рекомбинантной ДНК (рекДНК) векторную ДНК (например, плазмиду) и чужеродную ДНК содержащую интересующий ген (трансген), разрезают одной и той же рестриктазой; в результате образуются одинаковые концы. К генам, синтезированным химическим путем или полученным по матрице их мРНК, такие концы можно «пришить» искусственно. Затем производят смешивание фрагментов ДНК (вектора и трансгена) и «сшивание» их ДНК-лигазой. Концы чужеродной ДНК и плазмиды взаимодействуют друг с другом, образуя комплементарные пары оснований. Происходит гибридизация векторной и чужеродной ДНК. Концы фрагментов замыкаются с помощью водородных связей и ковалентно «сшиваются» с помощью фермента ДНК-лигазы. Генетическая трансформация, т.е. перенос и включение рекДНК, содержащей трансген, в клетки реципиента (например, Е. соli). Плазмида, встроенная в бактерию, ведет себя, как вектор (переносчик) нового гена, который реплицируется в каждом новом поколении. Молекулярная селекция — отбор трансформантов, т.е. клонов, несущих рекДНК. В процессе генетической трансформации Е. соli могут образоваться три типа клеток: клетки, не содержащие пламиду, содержащие плазмиду без встройки (без рекДНК), содержащие плазмиду с рекДНК. Для отбора трансформантов среди нетрансформированных клеток используют различные маркерные гены, которые находятся в векторной молекуле наряду с трансгеном. Выращивание измененных клеток в целые трансгенные организмы. Синтез определенного белка — продукта введенного гена. Первый, второй и третий из перечисленных этапов представляют собой последовательное создание рекомбинантной ДНК, четвертый и пятый — трансгеноз и выявление трансгенного организма. После введения в реципиентную клетку фрагмента чужеродной ДНК происходит ее клонирование с целью получения большого числа копий или начинается синтез продукта, закодированного во введенном гене. Чаще всего эти процессы осуществляются в бактериальных клетках. Генетическая рекомбинация заключается в обмене генами между двумя хромосомами. Обмен генами и введение в клетку гена, принадлежащего другому виду, можно осуществить посредством генетической рекомбинации. Этот подход был разработан на бактериях, в частности на кишечной палочке, в клетки которой вводили гены животных, человека и добивались их репликации (размножения). Выделение фрагментов ДНК в хромосомах, несущих гены с необходимыми свойствами, производят с помощью вырабатываемых клетками бактерий ферментов рестрикции (рестриктаз). В клетках кишечной палочки и других бактерий были обнаружены ферменты, разрезающие на куски ДНК. Рестриктазы распознают в ДНК специфичные для них участки длиной в 4-6 пар нуклеотидов и разрезают обе цепи ДНК посередине этих участков или с некоторым смещением. В первом случае образуются обрывки с ровными (тупыми) концами, во втором - стороны оборванных цепочек ДНК чуть-чуть заходят одна за другую. Такие концы называются липкими, они могут слипаться между собой в силу комплиментарности. Скрепить липкие концы помогает ДНК-лигаза, сшивающая фосфодиэфирные связи. В настоящее время известно более 500 рестриктаз, способных рубить ДНК в 120 различных последовательностях. Это дало возможность получать фрагменты ДНК, содержащие желаемые гены. Участки ДНК, разрезаемые рестриктазами, несложно разделить с помощью электрофореза. Скрепить сцепившиеся липкие концы фрагментов разных ДНК помогает фермент ДНК-лигаза. Она сшивает фрагменты с образованием полной структуры двойной спирали ДНК. Следующей задачей было создание функционально активных, способных реплицироваться гибридных ДНК. С этой целью интересующий фрагмент ДНК включают в состав вектора, с помощью которого он может быть размножен. Вектор - это молекула ДНК, способная переносить в клетку чужеродную ДНК любого происхождения и обеспечивать там ее размножение. Клетки, в которые вектор переносит вшитый в него ген, получили название реципиентов. В качестве векторов чаще всего используют плазмиды бактерий. Главное свойство плазмид состоит в их способности реплицироваться независимо от хромосомы. По размеру ДНК плазмиды в 100 раз меньше ДНК бактериальной хромосомы. В плазмиде таких размеров все же может разместиться до сотни генов. Первая такая плазмида была открыта английским ученым Стэнли Коуэном в 1974 г., которую он назвал своим именем. Она самостоятельно размножается. Концы ее способны слипаться между собой или с любыми фрагментами другой ДНК, получаемыми под действием той же рестриктазы. Следующая проблема - заставить клетку воспринять рекомбинантную ДНК. Объектом первых опытов по генной инженерии была избрана кишечная палочка Е.сoli. Клетки кишечной палочки выдерживают на холоде в растворе кальция, затем подвергают «тепловому шоку». После этого клеточная мембрана становится проницаемой для поступления извне молекул ДНК. В плазмиду была включена группа генов из хромосомы Е.сoli, ответственных за синтез аминокислоты триптофана. Когда в клетки Е.сoli ввели гибридную ДНК, они стали вырабатывать столько ферментов, участвующих в биосинтезе этой аминокислоты, что бактерии превратились в фабрику по производству триптофана. Помимо плазмид, в качестве векторов стали использовать и ДНК вирусов, размножающихся в клетках бактерий. Клетка, получившая гибридную ДНК, размножившись, образует клон. Это открыло путь для производства различных белков, лекарственных препаратов, гормонов, путем искусственного синтеза их генов и вставки их в клетки с помощью плазмид. Важнейший из них - инсулин, получаемый из поджелудочной железы свиней. 3. Генная инженерия растений Существует несколько достаточно широко распространенных методов внедрения чужеродной ДНК в геном растения. 1. С помощью бактерии Agrobacterium tumefaciens ( от лат.- полевая бактерия, вызывающая опухоли), которая обладает способностью встраивать участки своей ДНК в растения, после чего пораженные клетки растения начинают очень быстро делиться и образуется опухоль. Сначала ученые получили штамм этой бактерии, не вызывающий опухолей, но не лишенный возможности вносить свою ДНК в клетку. В дальнейшем нужный ген сначала клонируют в Agrobacterium tumefaciens и затем заражают уже этой бактерией растение. После чего инфицированные клетки растения приобретают нужные свойства, а целое растение выращивают из одной его клетки. Однако этот метод "работает" не на всех растениях: агробактерия, например, не заражает такие важные пищевые растения, как рис, пшеница, кукуруза. Поэтому разработаны и другие способы. 2. Клетки, предварительно обработанные специальными реагентами, разрушающими толстую клеточную оболочку, помещают в раствор, содержащий ДНК и вещества, способствующие ее проникновению в клетку. После чего, как и в первом случае, выращивают из одной клетки целое растение. 3.Метод бомбардировки растительных клеток специальными, очень маленькими вольфрамовыми пулями, содержащими ДНК. С некоторой вероятностью такая пуля может правильно передать генетический материал клетке и так растение получает новые свойства. А сама пуля ввиду ее микроскопических размеров не мешает нормальному развитию клетки. Новые свойства трансгенных растений: Высокая урожайность. Устойчивость к гербицидам. Гены устойчивости к гербицидам обнаружены у сальмонелл, некоторых растений (петуния), сине-зеленых водорослей, путем встраивания гена в геном растения получили растения устойчивые к гербицидам. Повышение ценности растительного белка. Перспективно получение форм кукурузы, богатых лизином, поскольку лизин увеличивает прибавку веса животных на 25-50%. Цистеин и метионин увеличивают рост шерсти у овец на 10-100%. Ген гороха, ответственный за синтез этих аминокислот, вводят в люцерну (бедную цистеином и метионином) и скармливают овцам. Устойчивость к засолению. Устойчивость обеспечивает аминокислота пролин. Ген, ответственный за ее выработку, пересажен от галлобактерий. Создание морозоустойчивых растений осуществляется пересадкой антифризных генов из рыб. Повышение усвояемости растениями атмосферного азота осуществляется пересадкой генов, ответственных за азотфиксацию (nit-генов) из бактерий Rhizobium в растение. 4. Генная инженерия животных Способы получения трансгенных животных: а) получение оплодотворенной яйцеклетки от животного донора; б) ген в составе вектора вводят в ядро оплодотворенной яйцеклетки; в) яйцеклетку имплантируют в реципиентную женскую особь; г) отбирают потомков, которые содержат в себе чужеродный ген (трансгенные); д) скрещивают между собой трансгенных потомков. 2. Вектором на основе ретровируса животных инфицируют восьмиклеточный эмбрион, который потом имплантируют в самку. 3. Трансгенную конструкцию вводят путем микроинъекции в мужской пронуклеус оплодотворенной яйцеклетки, которая затем переносится в суррогатную мать. 4. Стволовые клетки модифицируются в культуре, после чего их переносят в эмбрион на стадии бластоцисты. 5. Перенос гена осуществляют при помощи дрожжевых хромосом, что позволяет переносить несколько генов. Преимущества трансгенных животных Создание трансгенных животных с измененным обменном веществ в направлении повышения качества и эффективности производства продукции. Создание популяций животных, генетически устойчивых к ряду заболеваний. Создание животных, являющихся продуцентами биологически активных белков для медицины и других потребностей человека (лактофферин, интерлейкины, урокиназа и др.), секретируемых в молоко. Создание трансгенных животных-доноров внутренних органов для пересадки человеку (ксенотрансплантация) Анализ рынка показал, что существует огромный коммерческий интерес к производству целого ряда белков, необходимых для проведения диагностических, терапевтических и профилактических мероприятий в медицине и ветеринарии. Молочная железа трансгенных животных является идеальным источником производства рекомбинантных белков. Она физиологически обладает огромным потенциалом для синтеза белков. Кроме того, молоко содержащее рекомбинантные белки, имеет высокий гигиенический стандарт и может быть легко извлечено с использованием имеющихся технологий. Рядом экспериментов на мышах, кроликах, свиньях, овцах и козах было продемонстрировано, что в молочной железе трансгенных животных может быть достигнута достаточно высокая экспрессия рекомбинантных белков. Синтез рекомбинантных белков идет в двух направлениях: синтез белков в молоко с целью их последующей очистки и использования синтез белков в молочной железе с целью изменения состава и свойств молока. Наибольшие успехи достигнуты в первом направлении. Повышение качества и эффективности производства продукции изменение состава и свойств молока а) количественное и качественное изменение состава белков с целью изменения перерабатывающих свойств. б) увеличение антимикробиальной активности молока в) изменение типа и количества жирных кислот в молоке г) изменение белкового состава молока с целью его лучшей адаптации для питания людей. д) получение молока с низким содержанием лактозы. Например: лактофферин человека используется для экспрессии в молоке с/х животных с целью придания ему новых свойств. Повышение его в молоке коров рассматривается как средство для профилактики маститов, а также для уменьшения количества бактерий в молоке, снижения уровня или предотвращения возникновения кишечных инфекций у новорожденных телят. Полученное молоко может служить идеальным источником железа для телят и людей. Одним их путей изменения белкового состава молока является уменьшение количеств основных аллергенов молока (ß- лактоглобулина, à- лактоальбумина). Изменение качества шерсти В качестве объектов исследований были выбраны главным образом овцы т.к. они являются основным источником шерстной продукции для человека. Получили трансгенных овец, экспрессирующих в шерстных фолликулах ген кератина. Трансгенные животные как доноры внутренних органов Ксенотрансплантация – межвидовая пересадка органов: от близкородственных видов (от обезьяны человеку), от не родственных видов (от свиньи к человеку). При трансплантации органов возникает ряд проблем: отторжение органов после пересадки, передача через пересаживаемые органы заболеваний, физиологическая несовместимость (маловероятно, что печень свиньи окажется в состоянии обеспечить все функции системы печени человека). Для решения проблемы гипер острой реакции отторжения является генетическое изменение органов доноров с целью подавления реакции отторжения. Путем переноса соответствующих конструкций в эмбриональные линии могут быть получены трансгенные животные, которые несут другие клеточные поверхностные антигены. Хотя полученные результаты являются обнадеживающими, предстоит еще много сделать, прежде чем можно будет перейти к экспериментальным пересадкам внутренних органов свиней человеку. Уже в течение нескольких лет успешно используется тканевая трансплантация кожи и сердечных клапанов свиней человеку. Перфузия – рассматривается в качестве возможности поддержания жизни пациентов с печеночной недостаточностью. Кровь пациента прокачивают через печень свиньи и вновь возвращают ему после детоксикации. Вопросы для самоконтроля: Что такое нуклеиновые кислоты, какова их функция? Какие новые свойства приобретают трансгенные бактерии, растения и животные? Какие способы получения трансгенных растений существуют? Лекция 3. Положительные и отрицательные свойства ГМО Генномодифицированные организмы, их виды и преимущества Опасность генетически модифицированных организмов ГМО в России |