Što je stanični inženjering? Genetski i stanični inženjering

Dugo vremena čovjek je sanjao da su životinje koje je uzgajala bile veće, teže i produktivnije. Tako da bi usjevi koje je on uzgoj dozrijevao u najkraćem mogućem roku, ne bi bili pogođeni štetočinama i bolestima, rastao čak iu uvjetima sniženih temperatura okoline i odsutnosti redovitih oborina.

Do određene mjere, svi ti planovi mogli bi se provesti kroz selekciju, ali ovaj proces je vrlo dug i nitko ne može jamčiti da će biti u potpunosti uspješan. Osim toga, ova metoda ne pomaže da se u jednom organizmu kombiniraju značajke nekoliko vrsta odjednom. Naravno, ako se mogu prirodno križati, onda je to moguće, ali u drugim slučajevima može se samo sanjati o potrebnim nasljednim osobinama.

Osnovna tehnologija

Glavni način postizanja takvih rezultata je stanični inženjering. Najdetaljnije sve njegove tehnike radile su na nekim mikroorganizmima. Općenito, daljnje mogućnosti i perspektive tog smjera su jednostavno goleme. U ovom trenutku, u tijeku je dubinski razvoj kako bi se izolirali pojedini geni koji se mogu umetnuti u tijelo. Jednostavno rečeno, bit će moguće stvoriti kućne ljubimce i biljke koje će imati strogo definiran skup atributa i imati željeni izgled.

Ne zaboravite da je stanični inženjering mikroorganizama omogućio dobivanje "multifunkcionalnih" bakterija, koje, na primjer, mogu biološki razgraditi polietilen. Osim toga, modificirane bakterije su idealan materijal za proizvodnju cjepiva. Oni mogu biti potpuno sigurni (što omogućuje uporabu "živih" lijekova) zbog potpuno odsutne virulencije, ali imaju cijeli spektar antigena njihovih "divljih" predaka.

Konačno, stanični inženjering biljaka dopuštao je slavnu kvadratne lubenice i limun. Njoj dugujemo izgled krumpira, koji ličinke i odrasli krumpirski buba ne jedu. Upravo zahvaljujući genetičkim istraživanjima pojavila se pšenica, koja lako daje izvrsnu žetvu na slanim (!) Tlima!

Metode inženjerstva stanica

sve biljne stanice svojstvo totipotencije je svojstveno (to je kada se pojedinačna stanica može razviti u cijeli organizam). U poljoprivredi to daje neograničene mogućnosti u eksperimentima za razvoj novih vrsta usjeva koje su korisne čovjeku. Stanični inženjering u stočarstvu je vrlo obećavajući. Trenutno, znanstvenici imaju veliko iskustvo u akumuliranju i skladištenju somatske stanice različite vrste životinja in vitro. Posebno se to odnosi na skladištenje materijala u uvjetima niskih temperatura.

Usput, koje su metode inženjeringa životinjskih stanica? Razgovarajmo o njima.

Rana separacija embrija

Danas je metoda odvajanja ranih zametaka posebno obećavajuća. Prvi poticaj u tom smjeru dala je transplantologija, koja se počela razvijati, metodama koje su omogućile očuvanje velikog broja dobivenih zametaka. Općenito, prvi uspješan eksperiment u odvajanju embrionalnog materijala u fazama 2-8 proveo je Willard (na engleskom, Cambridge). Nedostatak ove metode je njegova složenost, zbog čega se ova operacija može obaviti samo u dobro opremljenoj zdravstvenoj ustanovi.

Jednostavno rečeno, riječ je o izuzetno složenoj biotehnologiji. Stanični inženjering u naše vrijeme koristi mnogo jednostavnije metode.

Kasna separacija klica

Znanstvenici su počeli manipulirati materijalom klica samo u kasnijim fazama (morula, blastocista). Suština metode je da se prozirna zona (pellucida) najprije otvori, nakon čega se embrij pažljivo podijeli na dva dijela. Jedna polovica ostaje na istom mjestu, dok se drugi dio prenosi u prethodno pripremljenu zonu.

Još prije nekoliko godina stopa preživljavanja embrija korištenjem ove tehnike dosegla je 50-60%, dok se danas ta brojka približava 80%. Glavni primijenjeni učinak je značajno povećanje broja teladi dobivenih od jednog proizvođača. Nije iznenađujuće da je inženjerstvo staničnih životinja industrija kojoj nedostaje sredstava.

Prvi u tim eksperimentima bili su američki znanstvenici. Upravo su oni zaključili da ako je embrij lišen prozirne membrane, onda preživljava u ne više od 15% slučajeva, ali ako je slatki sloj očuvan, stopa preživljavanja se odmah povećava na 35% slučajeva. Najbolji rezultati dobiveni su ako svaka polovica podijeljenog embrija ima prozirnu ljusku i svaki dio se uvodi u zaseban rog maternice: do 75% embrija preživljava u suvremenim uvjetima.

Ali za koju svrhu se inženjerstvo stanica koristi u praksi? Kakve rezultate dobivate s njom?

Vrijednost inženjerstva stanica u uzgoju

Do danas se ova tehnika sve više počinje koristiti u međunarodnim plemenskim poslovima. Relativno nedavno, metoda dobivanja i uvođenja embrija u svinje je uspješno testirana. Istraživači vjeruju da stanični inženjering može dopustiti povećanje broja potomaka jedne životinje za najmanje 30–35%. Ali ne zaboravite na mogućnost dobivanja genetskih kopija.

Takve životinje gotovo su vrijedne zlatne težine za one znanstvenike koji proučavaju interakciju okoliša i genotipa. Činjenica je da prisutnost dviju apsolutno identičnih pojedinaca omogućuje minimiziranje utjecaja unutarnjih čimbenika pri proučavanju utjecaja vanjskog okruženja na organizam. Osim toga, moguće je proizvesti klanje jedne životinje iz para u slučaju da su za studiju potrebni podaci o unutarnjem stanju tijela.

Svi ovi razvoji su osnovne metode inženjerstva stanica. Ali zaboravili smo reći o najvažnijem smjeru ove grane znanosti vezanoj uz umjetno reguliranje spola domaćih životinja. Vrijeme je da ispravimo taj nedostatak.

Metode regulacije poda

Zasigurno se nitko ne bi iznenadio kad bi saznao za nevjerojatnu važnost razvoja na području umjetne regulacije spola na domaćim životinjama. Trenutno, znanstvenici ne mogu regulirati broj životinja istog spola, pa čak i uz prepoznavanje spola pojedinca u ranim fazama njegova razvoja, postoje veliki problemi. Do sada je napredak u umjetnoj regulaciji ovog pokazatelja postignut samo vrlo beznačajno: čak i stanični inženjering i kloniranje ne rješavaju u potpunosti taj problem.

Naravno, idealno bi bilo dobro podijeliti stanice sperme koje nose X i Y kromosome. U tom se smjeru moraju razvijati istraživanja. Drugi pristup (koji je mnogo jednostavniji i stoga se koristi) je ekstrakcija ranih zametaka iz ženskog reproduktivnog sustava, određivanje njihovog spola, a zatim njihovo presađivanje.

Ali kako se stanični inženjering odnosi na sve ovo? Sve je vrlo jednostavno.

Radi se o citološkoj metodi kojom se određuje tip embrija XX ili XY. To se postiže proučavanjem kromatina ili spolnih kromosoma. Posljednjih godina je također utvrđeno da se spol može utvrditi ispitivanjem specifičnih antitijela koja su potpuno različita kod žena i muškaraca. Postoje i mišljenja nekih znanstvenika koji uspostavljaju rodni identitet ispitivanjem aktivnosti glukoza-6-fosfat dehidrogenaze. Međutim, trenutno su najučinkovitiji citološki i imunološki (studije antitijela) metode.

Genetski inženjering

U naslovu ovog članka nije slučajno da se koristi izraz "genski i stanični inženjering". Bez obzira koliko učinkovite metode ispravljanja staničnog materijala mogu biti, rad s genima će uvijek biti mnogo učinkovitiji.

Trenutno, genetske metode postupno dobivaju vodeću ulogu u stočarstvu i proizvodnji usjeva u svijetu. Zahvaljujući njima, oplemenjivački rad je dostigao fundamentalno različitu razinu: od sada znanstvenici ne mogu samo nagađati koje će kvalitete imati pojedinac kojeg stvaraju, ali sigurno znaju.

Treba odmah primijetiti da sve nije tako dobro. Postoje neka ograničenja. Činjenica je da je za genetsku manipulaciju dopušten samo genetski materijal bikova koji može poboljšati njihovo potomstvo (poboljšivače). Jedini problem je što su takve životinje danas vrlo male. Osim toga, programi koji su usmjereni na iskorjenjivanje istog mastitisa do sada nisu dali vidljive rezultate. Jednostavno rečeno, genski i stanični inženjering je daleko od panaceje.

Sami metodi inženjeringa počeli su se pojavljivati ​​u jedinstvenom sustavu tek od 50-ih godina prošlog stoljeća. Tako je jedno od glavnih djela, koje su postavile temelje ove grane znanosti, postale eksperimenti o transplantaciji staničnih jezgri prema metodi Briggsa i Kinga. Prvo, uspješno izvršiti ovu operaciju je dobivena isključivo na žabe. Trenutno se provode uspješni eksperimenti transplantacije genetskog materijala čak i kod miševa i većih sisavaca.

U novije vrijeme, znanstvenici su stvorili metodu prijenosa jezgre nakon fuzije karioplasta. Osim toga, metode genetskog i staničnog inženjerstva sada omogućuju stvaranje himernih organizama na temelju različitih tipova mekopitata.

Gardner je uskoro razvio suštinski novu metodu u kojoj se provodi implantacija blastomera u blastociste. Butler je ovu tehniku ​​uspješno razvio kod laboratorijskih miševa. Na temelju tih događaja prvi put su dobivene kimere temeljene na tijelu ovaca.

Svi gore opisani radovi postupno pripremaju svjetsku poljoprivrednu znanost za široko uvođenje metoda genetskog inženjeringa. Danas je najčešći način prijenosa genskog materijala u kultivirane stanice i njihovo naknadno uvođenje u blastocistu.

Ali prije nego što shvatimo neke aspekte ove tehnologije, vrijedi odgovoriti na važno pitanje. Točnije, razgovarati o razlici između genetskog inženjeringa i stanične. Općenito, ovdje je sve sasvim jednostavno: ako u prvom slučaju znanstvenici djeluju izravno s genetskim materijalom, onda kada se koriste "stanične" metode, cijeli organoidi i dijelovi stanica ulaze u rad, koji se ugrađuju u materijal primatelja.

Proširena definicija

Dakle, što je bit genetskog inženjeringa? Sredinom 70-ih godina prošlog stoljeća znanstvenici su napravili senzacionalno otkriće. Otkrili su da se neki mikrobni enzimi mogu smanjiti Molekula DNA na pravom mjestu. Jednostavno rečeno, postojala je jedinstvena prilika za dobivanje genetskog materijala sa strogo određenim svojstvima.

Konačno, istraživači su uspjeli identificirati određene gene s najvećom točnošću, te ih po potrebi i klonirati. Koja načela u svom radu vode znanstvenici? Općenito, postoje samo dvije:

• Gen mora imati jasnu karakterizaciju, koju treba detektirati.
• Odabrani genetski materijal mora se pričvrstiti na nosača (virus, na primjer), koji će proizvesti njegovu transplantaciju.

Jednostavno rečeno, odabrani gen iz tijela davatelja mora biti prenesen u tijelo primatelja, za što je stranac. Glavna stvar u radu istraživača nije samo postizanje usađenosti, nego i stvaranje uvjeta pod kojima će se normalno replicirati.

Rad sa zigotom

Međutim, posljednjih godina ta tehnika nije bila manje rasprostranjena u kojoj se vanzemaljski geni ubrizgavaju u pronukleus životinjskih zigota. Po prvi put, ova metoda je testirana na oocitima jezerskih žaba: prvo, uveli su određeni DNK, a znanstvenici su odmah primijetili integraciju i transkripciju. Godine 1981. po prvi put je proveden zanimljiv eksperiment, tijekom kojeg je u zigotu miša uveden gen za globus kunića.

U ovom slučaju, gen je imao dugi genomski tandem koji je sadržavao stabilne regije. Zanimljivo je da su oni bili ispravno transkribirani samo pod uvjetom da uopće nisu sadržavali nikakve sastojke plazmida. Manifestacija gena koji su umetnuti ovom metodom detaljno je proučavana u laboratorijskim miševima.

Godinu dana prije pokusa s mišjem zigotom, 1980. godine, pronukleus iste mišje zigote stavljen je na plazmid pBR322, koji je sadržavao fragmente SK40 i HSV virusa. Kao rezultat, virusna DNA pronađena je u tri miševa od 78 pojedinaca koji su sudjelovali u eksperimentu. Začudo, ali s injekcijom ljudskog gamaglobulinskog gena, njegova integracija je već uočena u pet miševa od 33 pojedinca (više od 15%). To je iskustvo čak i tada dokazalo da je stvaranje himeričnih organizama koji bi istovremeno objedinili obilježja različitih tipova prilično realistično.

Brinster i njegovi sljedbenici s učenicima su transplantirali u pronukleus zigota miševa posebno pripremljenog konstrukta, koji je uključivao mišji metalotionein, kao i gen timidinske kinaze. U ovom slučaju, puna integracija zabilježena je već u 17% laboratorijskih životinja.

Glavni nalazi

Trenutno je genetski inženjering konačno postao obećavajuća, raspravljana grana znanosti. Gotovo svi znaju za to. Ali koji su zadaci inženjerstva stanica i rada s genetskim materijalom? Oh, vrlo su raznoliki.

Prvo, znanstvenici cijelog svijeta suočeni su s zadatkom smirivanja, smanjenja gladi na cijelom planetu. Metode genetskog i staničnog inženjeringa omogućuju stvaranje takvih vrsta biljaka i životinjskih vrsta, čija će produktivnost biti deset puta veća od one divljih predaka.

Drugo, ova znanstvena grana će možda moći prevladati probleme prijevremenog starenja i drugih genetskih bolesti, za koje danas ne postoji niti jedan lijek. Konačno, genetski inženjering će nam sigurno omogućiti da produžimo život u velikoj mjeri!

Stručnjaci kažu da metode genetskog inženjeringa u bliskoj budućnosti neće samo dijagnosticirati genetske bolesti (na primjer, Downov sindrom, na primjer) u iznimno ranoj trudnoći, već ih i učinkovito liječiti!