Біотехнологія

Біотехнологія - використання людиною живих організмів і біоло­гічних процесів при виробництві необхідних речовин і конструюванні нових організмів з використанням досягнень мікробіології, біохімії і технологічних процесів.

• В біотехнології використовуються бактерії, гриби, клітини різ­них тканин рослин і тварин.

• Випікання хліба, виноробство, сироваріння, приготування пива і спирту - біотехнологічні процеси, що базуються на ви­користанні мікроорганізмів, які людина використовує здавна.

• Термін "біотехнологія" появився лише у 70-ті роки XX ст. гії

Головні напрямки розвитку біотехнології такі:

• виробництво лікарських препаратів (антибіотики, вакцини, високоспецифічні антитіла);

• виробництво мікроорганізмами і еукаріотичними клітинами біологічно активних речовин (ферменти, вітаміни, гормона­льні препарати);

• виробництво цінних кормових продуктів (кормові добавки, кор­мові білки, незамінимі амінокислоти);

• використання біологічних методів боротьби із забрудненням навколишнього середовища (біологічна очистка стічних вод, ґрунту, виробництво метану з сміття тощо);

• біологічні методи захисту рослин від хвороб і шкідників;

• методи концентрації цінних металів (Cu, Mn, Cr тощо) за допомогою бактерій

Основними методами біотехнології є:

• генетична (генна) інженерія

• клітинна (тканинна) інженерія.

• ембріональна інженерія

Генетична (генна) інженерія

Генетична інженерія - це маніпуляції на рівні геномних ДНК, цілих хромосом або їх фрагментів з метою створення рекомбінантних ДНК.

Поняття генетична інженерія широке, воно вбирає в себе і понят­тя генна інженерія і відповідає поняттю селекційна біотехнологія. Сьогодні можна сконструювати будь-який мутантний чи рекомбінантний ген, ввести його в будь-який хро­мосомний локус любого організму і спостерігати ефект на рі­вні клітини чи організму.

Генна інженерія - це маніпуляції на рівні окремих генів, їх комплексів і фрагментів.

Генна інженерія дозволяє людині свідомо втручатися в закономірності функціонування генетичних структур клітини і спрямовувати їх у бажаному напрямку.

Методи генної інженерії - це маніпуляції, які дозволяють:

• виділити певні гени з генотипів донорних клітин;

• штучно синтезувати потрібний ген;

• копіювати і розмножувати виділені чи штучно синтезовані гени;

• одержання рекомбінантних молекул ДНК;

• введення природних чи штучних генів у геном реципієнтних клітин за допомогою молекул-векторів, якими є плазміди або інші елементи клітини.

• Виділення генів можна здійснювати за допомогою фермен­тів рестрикцій - ендонуклеаз, які здатні розрізати нитки ДНК з певними нуклеотидними послідовностями, що розпізнають­ся відповідними ферментами рестриктазами. Виділення генів легко здійснюється із порівняно невеликих гено­мів дрозофіли, дріжджів і важко - із складних геномів еукаріот.

Вперше за допомогою ферментів рестрикції виділив ген лактозного оперону кишкової палички у 1969 р. Дж. Беквіт зі спів­робітниками.

• Штучний синтез гена вперше здійснив Г. Корана у 1969 р. - гена аланінової іРНК дріжджів, який містив лише інформацій­ну частину без регуляторної і тому працювати він не міг. В 1976 р. Г. Корана синтезував ген, що складався із структурної ча­стини й регуляторних (промотора і термінатора), ввів його у бактеріальну клітину і він працював як природний.

Так як штучно синтезувати можна лише невеликі за розміром гени прокаріот, то на практиці гени еукаріот створюють фер­ментативним методом.

• Ферментативний синтез генів здійснюється за допомо­гою ферментів іРНК-залежних ДНК-полімераз. Скорочено їх називають зворотними транскриптазами, або ревертазами. Здійснюють ферментативний синтез гена у пробірці так:

• на матриці іРНК за допомогою ферменту транскриптази (ревертази) синтезується комплементарна їй нитка ДНК;

• синтезується двонитчаста молекула ДНК;

• після цього іРНК руйнується ферментом рибонуклеазою;

• одержана таким чином ДНК називається ДНК-копією (кДНК), вона не має інтронів.

Гени, синтезовані за допомогою ревертази, не мають регуля­торної частини і можуть функціонувати лише в бактеріальних клітинах, а в клітинах тварин такий ген не здатний працювати. Ферментативним шляхом були синтезовані гени гемоглобіну людини, кроля, голуба.

• Копіювання і розмноження виділених чи штучно синтезова­них генів або клонування генів здійснюють за допомогою век­торів, у які вбудовують ген.

Вектор - це молекула ДНК або РНК, що складається з двох компонентів - векторної частини (носія) і клонованого в ній чужо­рідного гена. Векторами можуть бути фаги, плазміди, епісоми.

• Фаги - віруси, що можуть спричинити розчинення деяких бактерій.

• Плазміди - позахромосомні фактори спадковості, що явля­ють собою короткі повтори молекул ДНК, здатні стабільно роз­множуватися і передаватися в дочірні клітини в автономному стані.

• Епісоми - плазміди, здатні включатися в хромосому клітини й утворювати з нею ковалентно зв'язану структуру.

• Одержання рекомбінантних молекул здійснюється за до­помогою ферментів рестриктаз і лігаз. Рестриктази "впізнають" чужорідні послідовності нуклеотидів і роблять ступінчасті розриви молекул ДНК з утворенням коро­тких однонитчастих "липких" кінців, які на основі комплемен-тарності відновлюють хімічні зв'язки. Зв'язки утворюються під дією ферменту ДНК-лігази.

• Перенесення рекомбінантних молекул ДНК у клітини - за­вершальний етап генної інженерії, його можна здійснити за допомогою трансформації, трансдукції і трансгенозиса тощо.

• Трансформація - перенесення генетичної інформації від клітини одного генотипу (донора) у клітину іншого (реципієн­та), якщо в якості вектора використовують плазміду.

• Трансдукція - перенесення генетичного матеріалу від до­нора до реципієнта за допомогою помірних бактеріофагів.

• Трансгенозис - перенесення генів у вигляді фрагментів ДНК від однієї клітини до іншої у межах виду або роду. Завершуєть­ся експресією чужорідних генів - реалізацією генетичної ін­формації гена через синтез білка.

Американським генетиком Е. Сірсом розроблена техніка пе­ренесення цілих хромосом, або їхніх фрагментів від одного організму до іншого з використанням експериментального мутагенезу (опромінення). Це найлегший метод одержаний модифікованих білків і один з методів генетичної інженерії.