Czym jest inżynieria komórkowa? Inżynieria genetyczna i komórkowa

Przez długi czas człowiek marzył, że zwierzęta, które hodował były większe, twardsze i bardziej produktywne. Aby uprawiane przez niego rośliny dojrzewały w jak najkrótszym czasie, nie byłyby podatne na szkodniki i choroby, rosłyby nawet w warunkach obniżonej temperatury otoczenia i braku regularnych deszczów.

Do pewnego stopnia wszystkie te plany można wdrożyć poprzez selekcje, ale proces ten jest bardzo długi i nikt nie może zagwarantować, że będzie on całkowicie udany. Ponadto, ta metoda nie pomaga łączyć w jednym organizmie cech kilku typów naraz. Oczywiście, jeśli potrafią naturalnie krzyżować się, to jest to możliwe, ale w innych przypadkach można tylko marzyć o wymaganych właściwościach dziedzicznych.

Podstawowa technologia

Główną metodą uzyskania takich wyników jest inżynieria komórkowa. Najbardziej szczegółowe wszystkie jego techniki pracowały nad niektórymi mikroorganizmami. Ogólnie rzecz biorąc, dalsze możliwości i perspektywy tego kierunku są po prostu ogromne. W tej chwili trwają intensywne prace nad wyizolowaniem poszczególnych genów, które można wprowadzić do organizmu. Mówiąc najprościej, możliwe będzie stworzenie zwierząt i roślin, które będą miały ściśle określony zestaw cech i będą miały pożądany wygląd.

Nie zapominaj, że inżynieria komórkowa mikroorganizmów umożliwiła uzyskanie "wielofunkcyjnych" bakterii, które na przykład mogą rozkładać biologicznie polietylen. Ponadto zmodyfikowane bakterie są idealnym materiałem do produkcji szczepionek. Mogą być całkowicie bezpieczne (co pozwala na stosowanie "żywych" leków) z powodu całkowicie nieobecnej wirulencji, ale mają pełen zakres antygenów ich "dzikich" przodków.

W końcu to inżynieria komórkowa roślin pozwoliła sławnemu kwadratowe arbuzy i pestki cytryn. To dla niej zawdzięczamy pojawienie się ziemniaków, których larwy i dorośli stonki ziemniaczanej nie jedzą. To dzięki badaniom genetycznym pojawiła się pszenica, która z łatwością daje doskonałe plony na glebach solnych (!)!

Metody inżynierii komórkowej

Wszyscy komórki roślinne właściwość totipotencji jest nieodłączna (to wtedy, gdy pojedyncza komórka może rozwinąć się w cały organizm). W rolnictwie daje to nieograniczone perspektywy w eksperymentach mających na celu opracowanie nowych rodzajów roślin użytecznych dla człowieka. Inżynieria komórkowa w hodowli zwierząt jest bardzo obiecująca. Obecnie naukowcy mają ogromne doświadczenie w gromadzeniu i magazynowaniu komórki somatyczne różne rasy zwierząt in vitro. Dotyczy to zwłaszcza przechowywania materiału w warunkach niskich temperatur.

Przy okazji, jakie są metody inżynierii komórek zwierzęcych? Porozmawiajmy o nich.

Wczesna separacja zarodków

Dzisiaj metoda separacji wczesnych zarodków jest szczególnie obiecująca. Pierwszym impulsem do tego kierunku była transplantologia, która zaczęła się rozwijać, a jej metody pozwoliły uratować dużą liczbę zarodków. Ogólnie rzecz biorąc, pierwszy udany eksperyment w oddzielaniu materiału embrionalnego na etapach 2-8 został przeprowadzony przez Willarda (w języku angielskim, Cambridge). Wadą tej metody jest jej złożoność, dlatego operacja ta może być wykonywana tylko w dobrze wyposażonej placówce medycznej.

Mówiąc najprościej, jest to niezwykle złożona biotechnologia. Inżynieria komórkowa w naszych czasach używa znacznie prostszych metod.

Późna separacja zarazków

Naukowcy zaczęli więc manipulować materiałem zarodkowym dopiero w późniejszych etapach (morula, blastocysta). Istotą tej metody jest otwarcie przezroczystej strefy (pellucida), po czym embrion zostaje starannie podzielony na dwie części. Jedna połowa pozostaje w tym samym miejscu, podczas gdy druga część zostaje przeniesiona do wcześniej przygotowanej strefy.

Jeszcze kilka lat temu współczynnik przeżycia zarodków za pomocą tej techniki osiągnął 50-60%, podczas gdy obecnie liczba ta zbliża się do 80%. Głównym zastosowanym efektem jest znaczny wzrost liczby cieląt otrzymanych od jednego producenta. Nic dziwnego, że inżynieria komórkowa zwierząt to branża, której nie brakuje w finansowaniu.

Pierwsi w tych eksperymentach byli amerykańscy naukowcy. To oni doszli do wniosku, że jeśli zarodek pozbawiony jest przezroczystej błony, to przeżyje w nie więcej niż 15% przypadków, ale jeśli zachowana zostanie warstwa przezroczystości, wówczas wskaźnik przeżycia natychmiast wzrasta do 35% przypadków. Najlepsze wyniki uzyskuje się, gdy każda połowa podzielonego zarodka ma przezroczystą powłokę, a każda część jest wprowadzana do osobnego rogu macicy: do 75% zarodków przeżywa w nowoczesnych warunkach.

Ale do jakich celów wykorzystuje się inżynierię komórkową w praktyce? Jakie masz efekty?

Wartość inżynierii komórkowej w hodowli

Do chwili obecnej ta technika coraz częściej zaczyna być wykorzystywana w międzynarodowych sprawach plemiennych. Stosunkowo niedawno z powodzeniem przetestowano metodę pozyskiwania i wprowadzania zarodków u świń. Naukowcy są przekonani, że inżynieria komórkowa może pozwolić na zwiększenie liczby potomków jednego zwierzęcia o co najmniej 30-35%. Ale nie zapominaj o możliwości uzyskania kopii genetycznych.

Takie zwierzęta są prawie warte swojej wagi w złocie dla tych naukowców, którzy badają interakcję środowiska i genotypu. Faktem jest, że obecność dwóch całkowicie identycznych osób pozwala zminimalizować wpływ czynników wewnętrznych podczas badania wpływu środowiska zewnętrznego na organizm. Ponadto możliwe jest wyprodukowanie uboju jednego zwierzęcia z pary w przypadku, gdy dane dotyczące stanu wewnętrznego ciała są wymagane do badania.

Wszystkie te zmiany są podstawowymi metodami inżynierii komórkowej. Ale zapomnieliśmy opowiedzieć o najważniejszym kierunku tej gałęzi nauki związanym ze sztuczną regulacją płci zwierząt gospodarskich. Nadszedł czas, aby poprawić tę wadę.

Metody regulacji podłogi

Z pewnością nikt nie byłby zaskoczony, gdyby dowiedział się o niesamowitym znaczeniu rozwoju w dziedzinie sztucznej regulacji płci u zwierząt hodowlanych. Obecnie naukowcy nie mogą regulować liczby zwierząt tej samej płci, a nawet z rozpoznaniem płci osoby we wczesnych stadiach jej rozwoju, są duże problemy. Jak dotąd postęp w sztucznej regulacji tego wskaźnika został osiągnięty tylko bardzo nieznaczący: nawet inżynieria komórkowa i klonowanie nie rozwiązują w pełni tego problemu.

Oczywiście, najlepiej byłoby po prostu podzielić komórki plemników, które niosą chromosomy X i Y. Właśnie w tym kierunku powinny się rozwijać badania. Innym podejściem (które jest znacznie prostsze i dlatego stosowane) jest wydobycie wczesnych zarodków z żeńskiego układu rozrodczego, określenie ich płci, a następnie przeszczepienie.

Ale w jaki sposób inżynieria komórkowa odnosi się do tego wszystkiego? Wszystko jest całkiem proste.

Chodzi o metodę cytologiczną, za pomocą której określa się rodzaj zarodka XX lub XY. Odbywa się to poprzez badanie chromatyny lub chromosomów płciowych. W ostatnich latach odkryto również, że płeć można ustalić, badając specyficzne przeciwciała, które są całkowicie różne u kobiet i mężczyzn. Istnieją także opinie niektórych uczonych, którzy się ustalają płeć przez badanie aktywności dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej. Jednak obecnie najskuteczniejsze metody cytologiczne i immunologiczne (badania przeciwciał).

Inżynieria genetyczna

W tytule tego artykułu nie jest przypadkiem, że używa się zwrotu "inżynieria genetyczna i komórkowa". Bez względu na to, jak skuteczne mogą być metody korygowania materiału komórkowego, praca bezpośrednio z genami będzie zawsze o wiele wydajniejsza.

Obecnie metody genetyczne stopniowo zyskują wiodącą rolę w hodowli zwierząt i produkcji roślinnej na całym świecie. Dzięki nim praca hodowlana osiągnęła zupełnie inny poziom: od tej chwili naukowcy nie mogą po prostu odgadnąć, jakie cechy będzie miała osoba, którą tworzą, ale wiedzą na pewno.

Należy od razu zauważyć, że wszystko nie jest tak dobre. Istnieją pewne ograniczenia. Faktem jest, że do genetycznej manipulacji dopuszcza się jedynie materiał genetyczny byków, które mogą poprawić swoje potomstwo (polepszacze). Jedynym problemem jest to, że takie zwierzęta są dziś bardzo małe. Ponadto programy mające na celu wyeliminowanie tego samego zapalenia gruczołu mlekowego, jak dotąd nie dają żadnych widocznych wyników. Mówiąc prosto, inżynieria genetyczna i komórkowa jest daleka od panaceum.

Metody inżynierii zaczęły powstawać w jednym systemie dopiero od lat 50. ubiegłego wieku. Tak więc jedną z głównych prac, która położyła podwaliny tej gałęzi nauki, stały się eksperymenty na transplantacji jąder komórkowych zgodnie z metodą Briggsa i Króla. Po pierwsze, z powodzeniem przeprowadzić tę operację uzyskano wyłącznie na żabach. Obecnie przeprowadzane są udane eksperymenty dotyczące transplantacji materiału genetycznego, nawet u myszy i większych ssaków.

Niedawno naukowcy stworzyli metodę przenoszenia jądra po połączeniu karioplastu. Ponadto, metody inżynierii genetycznej i komórkowej umożliwiają obecnie tworzenie organizmów chimerycznych w oparciu o różne typy mekopitów.

Gardner wkrótce opracował całkowicie nową metodę, w której przeprowadza się wszczepianie blastomerów do blastocystów biorcy. Butler tej techniki został pomyślnie opracowany na myszach laboratoryjnych. Na podstawie tych osiągnięć po raz pierwszy uzyskano chimerę opartą na ciele owiec.

Wszystkie opisane powyżej prace stopniowo przygotowywały światową naukę rolniczą do powszechnego wprowadzania metod inżynierii genetycznej. Najpowszechniejszą obecnie metodą jest transfer materiału genetycznego do hodowanych komórek i ich późniejsze wprowadzenie do blastocysty.

Zanim jednak zrozumiemy niektóre aspekty tej technologii, warto odpowiedzieć na ważne pytanie. Dokładniej mówiąc, aby omówić różnicę między inżynierią genetyczną i komórkową. Ogólnie rzecz biorąc, wszystko jest tutaj dość proste: jeśli w pierwszym przypadku naukowcy działają bezpośrednio z materiałem genetycznym, wówczas gdy stosuje się metody "komórkowe", całe organoidy i sekcje komórek są zabierane do pracy, które wszczepiane są do materiału biorcy.

Rozszerzona definicja

Czym więc jest esencja inżynierii genetycznej? W połowie lat 70. ubiegłego wieku naukowcy dokonali sensacyjnego odkrycia. Odkryli, że niektóre enzymy drobnoustrojów mogą ciąć Cząsteczka DNA w odpowiednim miejscu. Krótko mówiąc, była wyjątkowa okazja do uzyskania materiału genetycznego o ściśle określonych właściwościach.

W końcu naukowcy byli w stanie zidentyfikować pewne geny z najwyższą dokładnością, a także w razie potrzeby sklonować je. Jakie zasady kierują się naukowcami w swojej pracy? Zasadniczo są tylko dwa z nich:

• Gen musi mieć wyraźną charakterystykę, którą należy wykryć.
• Wybrany materiał genetyczny jest wymagany do przyłączenia się do nosiciela (na przykład wirusa), który będzie produkował jego przeszczep.

Mówiąc prosto, wybrany gen z ciała dawcy musi zostać przeniesiony do ciała odbiorcy, dla którego jest on obcy. Najważniejsze w pracy badaczy jest nie tylko uzyskanie wszczepienia, ale także stworzenie warunków, w których zwykle będzie się powielać.

Praca z zygote

Jednak w ostatnich latach technika ta nie była tak rozpowszechniona, że ​​obce geny są wstrzykiwane do przedjądrza zygot zwierzęcych. Po raz pierwszy ta metoda została przetestowana na oocytach żab jeziornych: po pierwsze, wprowadzono pewne DNA, a naukowcy natychmiast zauważyli integrację i transkrypcję. W 1981 r. Po raz pierwszy przeprowadzono interesujący eksperyment, podczas którego króliczego genu gamma globulin wprowadzono do zygoty myszy.

W tym przypadku gen miał wygląd długiego genomowego tandemu zawierającego stabilne regiony. Co ciekawe, zostały one poprawnie transkrybowane tylko pod warunkiem, że w ogóle nie zawierały żadnych składników plazmidu. Manifestacja genów wprowadzonych tą metodą została szczegółowo zbadana u myszy laboratoryjnych.

Na rok przed eksperymentami z zygotami myszy, w 1980 r. Przedjądro tej samej zygoty myszy umieszczono na plazmidzie pBR322, który zawierał fragmenty wirusów SK40 i HSV. W rezultacie DNA wirusa znaleziono u trzech myszy z 78 osobników biorących udział w eksperymencie. O dziwo, ale po wstrzyknięciu ludzkiego gammaglobuliny, jego integrację zaobserwowano już u pięciu myszy na 33 osobników (ponad 15%). Doświadczenie to udowodniło nawet, że stworzenie organizmów chimerycznych, które łączą cechy kilku typów jednocześnie, jest dość realistyczne.

Brinster i jego zwolennicy ze studentami przeszczepionymi do przedjądrzy zygoty myszy ze specjalnie przygotowanego konstruktu, który obejmował mysią metalotioneinę, a także gen kinazy tymidynowej. W tym przypadku pełną integrację odnotowano już u 17% zwierząt laboratoryjnych.

Główne ustalenia

Obecnie inżynieria genetyczna stała się wreszcie obiecującą, omawianą gałęzią nauki. Prawie każdy o tym wie. Ale jakie są zadania inżynierii komórkowej i pracy z materiałem genetycznym? Och, są bardzo różnorodni.

Po pierwsze, naukowcy całego świata mają do czynienia z zadaniem uspokojenia, zmniejszenia głodu na całej planecie. Metody inżynierii genetycznej i komórkowej umożliwiają stworzenie takich odmian roślin i gatunków zwierząt, których produktywność będzie dziesięciokrotnie większa niż ich dzikich przodków.

Po drugie, ta gałąź naukowa, być może, będzie w stanie przezwyciężyć problemy związane z przedwczesnym starzeniem się i innymi chorobami genetycznymi, dla których dzisiaj nie ma jednego leku. Wreszcie inżynieria genetyczna z pewnością pozwoli nam w dużym stopniu przedłużyć życie!

Eksperci twierdzą, że metody inżynierii genetycznej w niedalekiej przyszłości nie tylko zdiagnozują choroby genetyczne (na przykład zespół Downa, na przykład) w bardzo wczesnej ciąży, ale także skutecznie je leczyć!