Підручник з Біології і екології. 11 клас. Соболь - Нова програма

Штучний інтелект, енергетика, біотехнології - це перспективні галузі, де ви зможете багато що зробити.

Білл Гейтс

§ 63. ЗАСТОСУВАННЯ ДОСЯГНЕНЬ МОЛЕКУЛЯРНОЇ ГЕНЕТИКИ, МОЛЕКУЛЯРНОЇ БІОЛОГІЇ ТА БІОХІМІЇ У БІОТЕХНОЛОГІЇ

Основні поняття й ключові терміни: МОЛЕКУЛЯРНА ГЕНЕТИКА. МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ. БІОХІМІЯ.

Пригадайте! Які теоретичні основи біотехнології?

Новини науки

Поки що не існує ефективних методів лікування спадкових захворювань сітківки (наприклад, пігментного ретиніту). Відбувається збій, через який фоторецептори починають гинути, що призводить до сліпоти. Для розв'язування цієї проблеми вчені намагаються створити біотехнологію доставки до цих клітин необхідних генів за допомогою вірусів або плазмід. Які біологічні науки можуть їм у цьому допомогти?

ЗМІСТ

Яке значення досягнень молекулярної генетики для біотехнології?

МОЛЕКУЛЯРНА ГЕНЕТИКА - це галузь біології, що вивчає молекулярні основи спадковості й мінливості живих організмів і вірусів. Найголовнішими досягненнями молекулярної генетики, що застосовуються в біотехнології, є закономірності організації та збереження генетичного матеріалу (хімічна природа гена, штучний синтез гена, механізми реплікації й репарації ДНК). Молекулярна генетика стала теоретичною основою генної інженерії, метою якої є створення генетичних структур та організмів з новими комбінаціями спадкових ознак.

До найважливіших методів молекулярної генетики, що їх використовують у генній інженерії, належать:

  • метод гібридизації ДНК з використанням ДНК-зондів - визначення фрагментів ДНК або РНК з певною генетичною інформацією за допомогою одноланцюжкових комплементарних фрагментів ДНК (ДНК-зондів);
  • методи секвенування генів - встановлення послідовності нуклеотидів у молекулах ДНК;
  • метод полімеразної ланцюгової реакції - збільшення кількості фрагментів ДНК у біологічному матеріалі;
  • метод генетичних маркерів - ідентифікація фрагментів ДНК за допомогою специфічних нуклеотидних послідовностей з відомою первинною структурою;
  • методи перенесення генів за допомогою вірусних векторів або плазмід.

Для отримання генів, їх поєднання з векторами (плазмідами або вірусами) в генетичній інженерії використовують ферменти: ревертази (ферменти, що каталізують синтез нитки ДНК на матриці іРНК), рестриктази (ферменти, що розрізають нуклеотидні послідовності в певних місцях), лігази (ферменти, що з'єднують нуклеотидні послідовності).

Отже, досягнення молекулярної генетики дають змогу отримувати гени й переносити їх з метою конструювання клітин й організмів зі зміненою спадковою інформацією.

Яке значення молекулярної біології для біотехнології?

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ - галузь біології, що вивчає біологічні процеси на рівні біополімерів - нуклеїнових кислот і білків та їх надмолекулярних структур. Для біотехнології фундаментальне значення мають такі досягнення цього розділу, як встановлення механізмів реалізації генетичної інформації, біосинтезу білків, мембранного транспортування, ферментного каталізу, а також вивчення регуляторних механізмів цих процесів. Молекулярна біологія разом з молекулярною генетикою стали фундаментом для клітинної інженерії, мета якої - створення нових клітин та отримання тканин, органів й організмів з клітинного матеріалу.

Основними методами молекулярної біології, що їх застосовують у біотехнології, є:

  • метод соматичної гібридизації - поєднання соматичних клітин різних тканин або організмів для отримання нових комбінацій ознак;
  • метод культури клітин (тканин) - виділення й перенесення клітин з організму на поживні середовища для отримання генетично однорідних популяцій клітин;
  • метод клонування організмів - отримання із застосуванням нестатевих способів розмноження клонів, що складаються з генетично однорідних клітин. Основою клонування є явище тотипотентності - здатність однієї клітини багатоклітинного організму давати початок цілому новому організму шляхом поділу. Технологія пересаджування ядер соматичних клітин в яйцеклітину, з якої власне ядро було вилучене, й наступне вирощування та отримання організму набуло широкого застосування як соматичне клонування (наприклад, клонування вівці Доллі). У клітинній інженерії розрізняють ще ембріональне клонування, за якого донорами ядер є морули або бластоцисти (наприклад, отримання й клонування химерних мишей).

Отримання клітин і клітинних продуктів експресії було б неможливим без участі таких ферментів, як полімерази (ДНК-полімерази, РНК-полімерази), синтетази (ферменти синтезу білків), протеази (ферменти розщеплення білків), нуклеази (ферменти розщеплення нуклеїнових кислот).

Отже, досягнення молекулярної біології є основою більшості галузей біотехнології.

Для яких напрямів біотехнології фундаментальною основою є біохімія?

БІОХІМІЯ - наука про хімічний склад і хімічні процеси, що відбуваються в клітинах живих організмів. Сучасна біохімія вивчає організми на молекулярному рівні за допомогою цілої низки методів: електрофорезу, хроматографії, електронної мікроскопії, ультрацентрифугування, полярографії, методу мічених атомів.

На ґрунті її фундаментальних досліджень створюються біотехнології для медицини, сільського господарства, промисловості, охорони довкілля: одержання харчових продуктів (наприклад, кефірів, йогуртів, сухого молока, хліба, соків), отримання лікарських препаратів (наприклад, вакцин, антибіотиків, вітамінів, ферментів), безвідходні технології очищення довкілля (наприклад, біотехнологія розкладу штучних полімерних матеріалів), добування екологічно чистих видів палива (наприклад, біогазу, біодизелю), кормів для сільськогосподарських тварин (наприклад, кормових білків із парафінів нафти), створення засобів догляду й захисту рослин (наприклад, створення біодобрив, біогумусу). Великим є значення біохімії у розв'язуванні екологічної проблеми утилізації та переробки відходів, створенні будівельних матеріалів нового покоління та створенні біотехнології отримання біорозщеплюваних матеріалів (наприклад, полігідроксіалканоатів).

Успіхи біохімії є фундаментом для розвитку таких напрямів біотехнології, як:

  • інженерна ензимологія - це галузь, що ґрунтується на використанні каталітичних функцій ферментів у ізольованому стані або у складі певних клітин для одержання продуктів (наприклад, біотехнологія отримання ферментів для освітлення фруктових соків);
  • мікробіологічний синтез - галузь, що займається створенням промислових способів добування речовин і сировини за допомогою мікроорганізмів (архей, бактерій, нижчих грибів, одноклітинних рослин) і продуктів їхньої життєдіяльності (наприклад, біотехнологія одержання антибіотиків, штучних кормових білків, ферментів, вітамінів В2, В12, С, гіберелінів, стероїдних речовин);
  • екологічна інженерія - галузь, завданням якої є поліпшення стану довкілля та створення технологій, що забезпечують очищення води, повітря, ґрунтів (основними інструментами галузі є «зелена хімія», «зелена енергетика», «зелений транспорт», біоочищення стічних вод, технологія очищення ґрунтів або водойм від забруднювачів за участі рослин - фіторемедіація) (іл. 102).

Іл. 102. Рослини-ремедіатори: 1 - верба п'ятитичинкова; 2 - гірчиця індійська

Отже, біохімія є фундаментальною основою таких напрямів біотехнології, як інженерна ензимологія, мікробіологічний синтез, екологічна інженерія.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота з ілюстрацією

Перед вами схема окремих етапів створення трансгенного сорту суниць. Назвіть ці етапи й укажіть методи й ферменти, що їх було використано під час створення сорту.

Проект на тему «Клонування організмів»

5 липня 1996 р. - день народження вівці Доллі. Її поява символізувала видатний прорив у біотехнології. Підготуйте проект, в якому розкрийте досягнення й проблеми цього методу клітинної інженерії, сформулюйте перспективи клонування та висловіть свої судження щодо застосування клонування в сільському господарстві, промисловості, медицині, ветеринарії.

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Хімія. «Зелена хімія»

«Зелена хімія» - галузь екологічної інженерії, що займається створенням, розробленням і застосуванням хімічних продуктів і процесів, що зменшують або унеможливлюють використання й утворення шкідливих речовин. У 1998 р. П. Т. Анастас і Дж. С. Уорнер у своїй книжці «Зелена хімія: теорія і практика» сформулювали дванадцять принципів «зеленої хімії». Назвіть ці принципи. Обґрунтуйте значення біотехнології для досягнення цілей «зеленої хімії».

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1-6

1. Що таке молекулярна генетика і генна інженерія? 2. Назвіть досягнення молекулярної генетики. 3. Що таке молекулярна біологія й клітинна інженерія? 4. Назвіть найвідоміші відкриття молекулярної біології. 5. Що таке біохімія й мікробіологічний синтез? 6. Яке значення біохімії для екологічної інженерії?

7-9

7. Яке значення досягнень молекулярної генетики для біотехнології? 8. Яке значення молекулярної біології для біотехнології? 9. Для яких напрямів біотехнології фундаментальною основою є біохімія?

10-12

10. Висловіть своє судження щодо застосування досягнень молекулярної генетики, молекулярної біології та біохімії у біотехнології.