Генетика и биотехнологии

Введение

В большинстве стран, в том числе и в России, биотехнология рассматривается как приоритетное направление, во многом определяющее технический прогресс и развитие общества. Некоторые биотехнологические процессы, относящиеся, главным образом, к производству продуктов питания, были известны в древние времена. Традиционная биотехнология завоевала мировой рынок и в экономическом плане вносит большой вклад в развитие как отдельных фирм, так и стран в целом. Только сравнительно недавно традиционные биотехнологические процессы были тщательно изучены и проанализированы. Однако потребуется еще значительное время пока они будут модифицированы в современные научно-обоснованные технологии.
Генная инженерия является одним из направлений молекулярной биологии, связанным с целенаправленным созданием новых комбинаций генетического материала и имеющим множество перспективных приложений в различных отраслях. Поэтому интерес к геномным и генно-инженерным исследованиям в мире высок [1].
Стремительное развитие современной биотехнологии в течение последних десятилетий с применением генетических ресурсов не только полностью изменило наше представление о животном мире, но и привело к созданию новых продуктов и услуг, способствующих защите здоровья человека, начиная от производства натуральных лекарственных препаратов и заканчивая созданием способов для увеличения продовольственных ресурсов. Развитие биотехнологии также позволило улучшить методы защиты биологического разнообразия на планете. Генетические ресурсы можно использовать в коммерческих и некоммерческих целях.
Цель работы является всесторонняя характеристика генетики и биотехнологии.
1 Биотехнология как наука и сфера производства

Биотехнология (от греческого bios – жизнь, techne-искусство, мастерство и logos-учение) – использование биологических процессов и систем в промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении и других областях деятельности человека, научное направление, объединяющее возможности биологии и техники. Термин «биотехнология» получил широкое распространение в производства середине 70-х гг., хозяйстве хотя впервые больше был предложен в 1917 г., а Однако многие традиционные целях биотехнологические процессы биотехнологических известны с незапамятных знаний времен [2].
В настоящее микроорганизмов время «Биотехнологию», в целом, уровне определяют как системообразующим науку о генно-инженерных и хотя клеточных методах и назначения технологиях создания и получил использования генетически различного трансформированных (модифицированных) растений, известны животных и микроорганизмов в явлений целях интенсификации Однако производства и получения ведущим новых видов выделяют продуктов различного направление назначения. Однако, настоящее среди ученых когда нет единого и глобальный точного определения наук понятия «биотехнология». Объяснить изучения это можно системообразующим тем, что известны современная «биотехнология» - не множество отдельная наука с использованы конкретными целями, клеточных задачами и предметом мировой изучения, а целая отдельная область знаний, конкретными объединяющая множество впервые наук – биологических, видов точных и др.
В бактерии историческом смысле генно биотехнология возникла на тогда, когда назначения дрожжи были известны впервые использованы животных при производстве bios пива, а бактерии – область для получения различного йогурта. Современный различного мир переживает ученых глобальный биотехнологический растений бум. Биотехнология генно все больше и бактерии больше становится использования системообразующим, ведущим мировой фактором развития распространение экономики отдельных точных государств и мировой систем экономики в целом.
В целях конкретизации предметов изучения и задач биотехнологии, т.е. для более научного восприятия биотехнологических процессов, выделяют «молекулярную биотехнологию», которую можно представить как науку, развившуюся из молекулярной биологии - изучения явлений жизни на молекулярном уровне.
Молекулярная биотехнология как наука возникла в начале сороковых годов и получила ускоренное развитие с 1953 года, после открытия Джеймса Уотсона и Френсиса Крика о химической структуре и пространственной организации двойной спирали ДНК.
В 1953 году Уотсон и Крик, на основании имеющихся к тому времени данных, сформулировали теорию о структуре ДНК – о том, что ДНК представляет собой полимер из нуклеотидов в виде двойной спирали и является носителем генетической информации. Это было выдающимся достижением молекулярной биологии – открытие новой эры в биологии. Последующие исследования полностью подтвердили правильность этой теории. Было установлено, что при делении клетки происходит репликация – удвоение молекулы ДНК, что информация, содержащаяся в молекуле ДНК, реализуется в процессе синтеза белка по схеме ДНК → РНК → белок. Разработка методов исследования нуклеиновых кислот позволила осуществлять секвенирование ДНК, выдающимся достижением чего является то, что в 2000 году были доложены предварительные, а в 2003 году – окончательные результаты расшифровки генома человека.
1973 году разработка Стэнли Коэном и Гербертом Боером технологии переноса функциональной единицы наследственности, гена, из одного организма в другой явилась новым этапом развития молекулярной технологии. На этой основе разрабатывались новые методы и технологии, с помощью которых можно было быстро идентифицировать, выделять и использовать гены. Полученные результаты внесли значительный вклад в развитие всех биологических дисциплин – биологии развития, молекулярной эволюции, клеточной биологии, генетики человека и животных, биотехнологии.
Новая биотехнологическая революция началась в середине 1970-х и в начале 80-х гг., когда ученые научились точно изменять генетическую конституцию живых организмов благодаря использованию генетической инженерии (технология рекомбинантных молекул ДНК). В дальнейшем она затронула практически все важнейшие направления биотехнологии и в будущем позволит совершить переворот в медицине, сельском хозяйстве и других сферах деятельности человека, в частности, в тех отраслях, где традиционные методы были бессильны [3].
В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных ценных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов (микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов)  и процессов.
Особенно важным для обеспечения продовольственной безопасности является развитие биотехнологий, качественных, технологических преобразований в сфере производства продовольствия — использования генетических достижений в растениеводстве и животноводстве, эффективных способов производства продуктов питания, контроля качества, включая технические достижения и формирование эффективной системы трансферта этих достижений в широкую практику производства и т. д. Сегодня помощью биотехнологий можно воздействовать на растения, животных, почву, различные физиологические процессы, сырье и готовую продукцию на уровне атомов и молекул контролируемым образом. Самые распространенные способы такого воздействия: 
на генном уровне, в целях модификации, совершенен создания новых свойств; 
очистка продукции и среды от молекул и атомов экологически вредных веществ; 
воздействие на биообъекты световыми и электромагнитными сигналами (полями) для контролируемых изменений биоструктуры, выработки в организмах полезных веществ (витаминов, иммунные тела и др.), разделения биообъектов (семена, клетки и др.) по параметрам жизнеспособности; 
создание новых материалов и композиционных соединений, лекарств, искусственных запахов, биопродукции; 
контроль на атомарно-молекулярном уровне качества производимой продукции, узнавания заболеваний человека, животных и поражения растений, стрессов у животных, экологической чистоты (загрязненности) объектов; 
контроль узнавания больных мест и адресной доставки лекарства больному органу. 

Условно молекулярную биотехнологию можно разделить на 4 основные и тесно взаимосвязанные между собой разделы (или направления):
1. Генная инженерия
2. Клеточная инженерия
3. Инженерная энзимология
4. Техническая или производственная микробиология.
Каждая из этих направлений представляют собой обширную область знаний со обширную своими целями и гибридизацию задачами.
Генетическая поэтому инженерия - совокупность их методов, позволяющих микрохирургические искусственно переносить помощью генетическую информацию время из одного выделяют организма в другой с стабилизации помощью специально эффективных созданных генетических биоинженерию конструкций. Одной науки из главных целями задач генной Клеточная инженерии является основные получение организмов с молекулярной желаемыми свойствами. биоинженерию Основным подходом - культивирование конструирование in Основной vitro (вне организма) область рекомбинантных молекул направлений ДНК (искусственно скомбинированных переносить из фрагментов) с раздел заданными наследственными наследственными свойствами, поэтому применения генную инженерию их также называют разработка технологией рекомбинантных позволяющих ДНК.
Клеточная жизнеспособных инженерия - совокупность настоящее методов, используемых биотехнологию для конструирования генной новых клеток. отдельный Включает культивирование и позволяющих клонирование клеток позволяющих на специально по подобранных средах, также гибридизацию клеток, выделяют пересадку клеточных молекулярной ядер и другие можно микрохирургические операции этих по «разборке» и «сборке» (реконструкции) жизнеспособных инженерной клеток из выделяют отдельных фрагментов. время Начало клеточной систему инженерии относят к 1960-м составляют гг., когда настоящее возник метод выделяют гибридизации соматических этих клеток.
Генная Основным инженерия и клеточная экологически инженерия составляют на основу молекулярной можно биотехнологии. Объединив молекулярную их в одно клеточная целое, в настоящее катализаторов время выделяют время отдельный раздел Условно молекулярной биотехнологии - задачей биоинженерию.
Инженерная применения энзимология – область организмов биотехнологической науки, к которой относят систему методов получения, очистки, стабилизации и применения ферментов. Основной задачей инженерной энзимологии является конструирование биоорганических катализаторов с заданными свойствами и разработка на их основе различных эффективных и экологически чистых биотехнологических процессов.
Практические разработки в области инженерной энзимологии связаны с решением следующих задач:
· получение нового продукта;
· улучшение качества известного продукта;
· повышение экономичности биотехнологического процесса.
Техническая или производственная микробиология - раздел биотехнологии, разрабатывающий способы культивации полезных микроорганизмов в промышленных масштабах.
2 Генная инженерия как важнейший инструмент современной биотехнологии

Генная иинженерия – является важнейшим методом (инструментом), лежащим в основе современной биотехнологии. 
Методы клеточной инженерии направлены на конструирование клеток нового типа. Они могут быть использованы для воссоздания жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, для объединения целых клеток, принадлежавших различным видам с образованием клетки, несущей генетический материал обеих исходных клеток, и других операций.
Генно-инженерные методы направлены на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов

. В результате применения генно-инженерных методов можно получать рекомбинантные (модифицированные) молекулы РНК и ДНК, для чего производится выделение отдельных генов (кодирующих нужный продукт), из клеток какого-либо организма. После проведения определенных манипуляций с этими генами осуществляется ихВведение

в другие организмы (бактерии, дрожжи и млекопитающие),  которые, получив новый ген (гены), будут способны синтезировать конечные продукты с измененными, в нужном человеку направлении, свойствами. Иными словами, генная инженерия позволяет получать заданные (желаемые) качества изменяемых или генетически модифицированных организмов или так называемых «трансгенных»  растений и животных.
Новый импульс биотехнология получила в середине 70-х гг. благодаря появлению такого направления в науке, как генетическая инженерия, которая представляет собой совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных молекул нуклеиновых кислот, выделения генов из организма (клеток), проведения манипуляций с ними и введения их в другие организмы. Генетическая инженерия служит для получения организмов с нужными качествами. Её нельзя назвать наукой в обычно принятом смысле. Она является инструментом биотехнологии и использует информацию, накопленную такими биологическими науками, как молекулярная биология, биохимия, цитология, генетика, микробиология и др. Создание генетической инженерии невозможно было без серии открытий, результатом которых явилась разработка методов управления наследственностью живых организмов путём проникновения в их генетический аппарат.
К таким открытиям следует отнести прежде всего: – получение изолированного «химически чистого» гена. Первоначально гены пытались выделять из соответствующих клеток, но потом оказалось, что, зная строение, проще получать их путем химического и молекулярно-биологического синтеза. Затем необходимо было разработать методику введения гена в клетку. Причём нужно было научиться непросто вводить ген в цитоплазму, а встраивать его в молекулу ДНК клетки так, чтобы новая информация могла быть «прочитана» биосинтетическим аппаратом клетки, вырабатывающим белки и воспроизводящим гены при делении клетки. Осуществление этих двух этапов – получение гена иВведение

его в клетку – и составляет основу той отрасли биотехнологии, которая получила название технологии рекомбинантных ДНК;– разработку методов «чтения» биологической информации, которая «записана» в генах. Эта работа была проделана английским учёным Ф. Сенгером и американским учёным У. Гилбертом. За неё учёные в 1980 г. были удостоены Нобелевской премии по химии; – открытие структуры и функции генетического аппарата клетки; – открытие механизмов рекомбинации гомологичной и негомо-логичной ДНК; – обнаружение в бактериальных клетках внехромосомных кольцевых ДНК, способных к репликации. Они впервые были обнаружены в начале 50-х гг. и получили название “плазмид”. Плазмиды обладают способнос-тью к автономной от хромосомы репликации и содержатся в клетке в виде нескольких копий. Различаются плазмиды по генетическим детерминан- там. Очень важно, что плазмиды из-за своих малых размеров могут быть выделены из клетки в неповрежденном, нативном состоянии; – открытие рестриктаз и лигаз. В 1970 г. американцы С. Келли и Г. Смит с сотрудниками выделили первую рестриктазу ─ фермент, который вызывает гидролитическое расщепление ДНК в строго опре- деленных местах. Существование таких ферментов-рестриктаз было доказано в опытах швейцарских ученых С. Линна и В. Арбера в конце 60-х гг. С помощью рестриктаз ген можно разрезать на отдельные фрагменты, а с помощью лигаз их можно соединять в иной комбинации, конструируя новый ген. В настоящее время описано множество ферментов, которые применяются в генетической инженерии.
Таким образом, к началу 70-х гг. были сформулированы основ- ные принципы функционирования нуклеиновых кислот и белков в живом организме и созданы теоретические предпосылки для возникновения генетической инженерии [4].
В 1972 г. американский ученый П. Берг опубликовал сообщение о полученииin vitroрекомбинантной ДНК, состоящей из фрагментов ДНК вируса и бактерии. Так, развитие технологии рекомбинантных ДНК ознаменовало рождение новой отрасли молекулярной биологии – генетической инженерии. Основными этапами генетической инженерии являются выделение нужного гена из клетки; получение вектора (плазмида) из бактерии; встраивание in vitro выделенного гена в вектор;Введение

полученной рекомбинантной ДНК в бактерию; получение бактерий, экспрессирующих данный ген (рис. 1).
Генная инженерия изучает механизмы функционирования генетического аппарата клеток, что другими приемами сделать невозможно. Вместе с тем она ставит перед собой обширные практические задачи, некоторые из них в настоящее время решены. Прежде всего это получение путем бактериального синтеза ряда препаратов, например инсулина (рис. 2) и интерферонов

Рис. 1. Схема основных этапов генетической инженерии [1].


Рис.2 – Схема получения инсулина методом бактериального синтеза [1].

Одним из первых ученых в нашей стране, который поверил в перспективность генетической инженерии и возглавил исследования в этой области, был А.А. Баев По его определению, генетическая инженерия занимается конструированием in vitro функционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК), или иначе созданием искусственных генетических программ.
Важнейшим достижением генетической инженерии является создание диагностических наборов. Получение трансгенных организмов открывает принципиально новые возможности для получения новых штаммов микроорганизмов-продуцентов, трансгенных животных или растений, имеющих нужные для человека свойства. Это далеко не полный перечень практического приложения генетической инженерии [5].


3 Современное состояние и тенденции развития генной инженерии

Возникновение генной инженерии относят к началу семидесятых годов ХХ столетия, когда в лаборатории Пола Берга из Станфордского университета была получена первая рекомбинатная (гибридная) ДНК (рекДНК) т УПГО, соединяю-щая в себе фрагменты ДНК фага лямбда, кишечной палочки и обезьяньего вируса 51/40.
Импульсом к развитию генной и хромосомной инженерии послужили достижения клеточной биологии по культивированию клеток, тканей и органов. Другим существенным фактором для направленного введения чужих генов в геном растений стало открытие ученых в ряде лабораторий Бельгии, США и ФРГ механизма встройки почвенной бактерией части своего генома в геном растений.
Это имело огромное научное значение, поскольку перенос генов позволял преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим. Конструирование нужных генов из различ- ных фрагментов,Введение

их в реципиентный организм методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов, создавать биологические объекты с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.
Фундаментом для формирования генной инженерии как научного направления стало открытие двойной спирали ДНК и становление новой науки — молекулярной биологии, благодаря которой был постулирован матричный механизм синтеза ДНК, установлены механизмы репликации, транскрипции и трансляции ДНК, способность к гибридизации цепей ДНК, секвенирования, процессов негомологичной рекомбинации хромосом, открыты плазмиды, осуществлена идентификация и анализ генов. Были сформулированы основные принципы функционирования нуклеиновых кислот и белков в живом организме и созданы теоретические предпосылки для генной инженеррш.
1. Молекулярные механизмы матричного синтеза:
ДНК —› ДНК Репликация
ДНК —› РШ< Транскрипция
мРНК —› белок Трансляция
2. Кольцевые Двуспиральные малые молекулы ДШС, автономноразмножающиеся в бактериальной клетке и несущие маркерный ген
3. Ферменты, способные расщеплять ДНК в строго определенном месте с образованием липких концов у образуемых фрагментов [6].
С установлением универсальности генетического кода и благодаря достижениям генетической энзимологии возможности научных экспериментов генной инженерии значительно возросли. Было установлено, что у всех живых организмов включение одних и тех же аминокислот в белковую молекулу кодируется одними и теми же последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК. Генным инженерам был предоставлен целый ряд ферментов, лишенных видовой специфичности и позволяющих получать в изолированном виде отдельные гены или фрагменты нуклеиновой кислоты, осуществлять т УПГО синтез фрагментов нуклеиновых кислот, объединять в единое целое полученные фрагменты. Наиболее распространенными в практике генной инженерии ферментами являются:
- рестриктазы, с помощью которых получают фрагменты ДНК,
- полимеразы, синтезирующие ДНК на матрице ДНК или РНК (обратные транскриптазы),
- лигазы, соединяющие фрагменты ДНК,
- ферменты, позволяющие осуществлять изменение структуры концов фрагментов ДНК.
Известно, что процесс рекомбинации в организмов большинстве случаев происходит между гомологичными молекулами ДНК. Однако оказалось, что  притягивание и взаимодействие молекул ДНК возможно, если они будут иметь небольшие комплементарные односпиральные участки из четырех и более нуклеотидов на концах молекул. Такие последовательности получили название липких концов, поскольку две молекулы ДНК могут соединиться именно этими концами. Таким образом, если в пробирку поместить самые разные молекулы ДНК с одинаковыми липкими концами, то рекомбинация будет происходить даже в том случае, если вся структура молекул очень различается.
Технология рекомбинантных ДНК сделала возможным нетрадиционный подход «белок-ген». При таком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный ген, кодирующий измененную форму белка. Полученный ген вводят в клетку. Если он экспрессируется, несущая его клетка и ее потомки будут синтезировать измененный белок. Таким путем можно исправлять дефектные гены и лечить наследственные заболевания.
Нормальный ген вводится в соматические клетки прицельно в то место на хромосоме, где находится дефектный ген. Разрабатывается и другой подход, когда введенный ген не заменяет дефектный, а компенсирует его функцию, встраиваясь в хромосому в другом месте. Основными процедурами в генной инженерии считаются (рис. 3):
- рекомбинация т УПГО ДНК-вектора и ДНК-гена,
-Введение

рекомбинантной плазмиды в клетку,
- молекулярное клонирование.


Рис. 3. Клонирование фрагмента ДНК в плазмиде [7].

Прогресс и успехи генной инженерии зависят от разработки генетических систем и инструментов, позволяющих более эффективно управлять процессом создания новых комбинаций.
Существует несколько путей транс формации генетического материала, например, метод, основанный на природной способности ряда бактерий генетически модифицировать живые организмы (рис. 4).

Рис.4. Основные шаги клонирования ДНК с использованием плазмид как векторов [7].

Другим распространенным методом трансформации является технология, основанная на обстреле ткани микрочастицами золота (или других тяжелых металлов), покрытыми раствором ДНК