Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 11 клас. Задорожний - Нова програма

§ 48. Генетична та клітинна інженерія в сучасній селекції

Які клітини називають стовбуровими? Чим стовбурові клітини відрізняються від звичайних клітин організму людини? Як віруси проникають у клітини живих організмів? Навіщо деякі віруси вбудовуються в ДНК клітини-хазяїна?

Клітинна інженерія

Клітинна інженерія — це галузь біотехнології, яка розробляє й використовує технології культивування клітин і тканин поза організмом у штучних умовах. Окрім того, у межах клітинної інженерії розробляють і використовують технології гібридизації клітин.

Одним із напрямів клітинної інженерії є клонування тварин і рослин (мал. 48.1). Клонування рослин, наприклад, дозволяє дуже швидко розмножувати найбільш цінні особини рослин, які характеризуються високою врожайністю, підвищеною стійкістю до захворювань або іншими якостями. Часто клонування використовують для розмноження унікальних декоративних форм рослин.

Мал. 48.1. Технологія клонування тварин

Одним із досягнень клітинної інженерії стала розробка методів використання стовбурових клітин у лікуванні людини (мал. 48.2). Здатність до необмеженого поділу і до перетворення на різні типи клітин (так звана плюрипотентність) робить їх ідеальним матеріалом для трансплантаційних методів терапії. Найбільш доступними вважаються стовбурові клітини дорослого організму. Однак реальний потенціал їх диференціювання ще слабо вивчений. Надзвичайно привабливі для використання в медицині є ембріональні стовбурові клітини людини: з них можна отримувати будь-які типи клітин організму.

Мал. 48.2. Перетворення стовбурових клітин на інші типи клітин організму

Потрапляючи в організм під час трансплантації, стовбурові клітини продовжують ділитися й самі знаходять місце, де їхня допомога найпотрібніша. Ця здатність стовбурових клітин отримала назву хоумінг.

Генетична інженерія

Генетична (генна) інженерія — це галузь біотехнології, яка розробляє й використовує технології виділення генів з організмів і окремих клітин, їх видозмінення й уведення в інші клітини або організми.

Суть генетичної інженерії полягає в штучному створенні генів із потрібними властивостями і введення їх у відповідну клітину. Перенесення гена здійснює вектор (рекомбінантна ДНК) — спеціальна молекула ДНК, сконструйована на основі ДНК вірусів або плазмід, яка містить потрібний ген і здатна транспортувати його до клітини та забезпечити його вбудовування в її генетичний апарат. Генетична інженерія широко використовується як у наукових дослідженнях, так і в новітніх методах селекції.

Використання генної інженерії в галузі селекції стало причиною активних суперечок. Різні вчені та активісти громадських організацій наводили аргументи як «за», так і «проти» застосування цієї технології. Серед позитивних аргументів — підвищена врожайність, екологічні переваги, захист від шкідників. З іншого боку — невпевненість частини споживачів у безпечності нових технологій.

Теоретично, негативний вплив, наприклад, рослин, які отримані за допомогою технології генетичної інженерії, на інші організми можливий через наявність в організмі рослин біологічно активних речовин (інсектициди, фунгіциди та ін.). Вплив цих речовин може бути прямий або опосередкований через трофічні ланцюги. Однак до сьогодні достовірних експериментальних даних про негативний вплив таких організмів на нецільові види не отримано.

У Європі використовувати змінені за допомогою методів генної інженерії рослини сої та кукурудзи для виготовлення харчових продуктів дозволено з 1997 року, а харчові ферменти, добавки, одержані в результаті генної інженерії, використовують понад двадцять років. Проте в багатьох європейських країнах законодавчі акти з харчових продуктів містять вимоги щодо безпечності продуктів такого походження.

Генетично модифіковані організми

Генетично модифіковані організми (ГМО) — це організми, генотип яких було змінено за допомогою методів генетичної інженерії з використанням технології рекомбінантних ДНК. Інша назва генетично модифікованих організмів — трансгенні організми. Для створення генетично модифікованих організмів часто використовують такі методи перенесення генів, як створення вектора на основі бактеріальної плазміди та обстріл клітин із генної гармати (мал. 48.3).

Мал. 48.3. Технології створення генетично модифікованих організмів

Як ви вже знаєте, вектор є молекулою ДНК, яка здатна вбудовуватися в геном клітини і містить сторонній для цієї клітини ген. Такі вектори можна створювати на основі бактеріальних плазмід бактерії з роду Agrobacterium. Це зумовлено тим, що такі бактерії в природних умовах виробили здатність активно здійснювати горизонтальне перенесення генів між своїми клітинами і клітинами рослини, на якій вони паразитують (мал. 48.4). Якщо помістити в одну культуру бактерії та клітини рослин, то вектори на основі бактеріальних плазмід перенесуть ген у геном клітин рослини.

Мал. 48.4. Рослина, уражена бактеріями з роду Agrobacterium

Генна гармата використовує для внесення в геном клітин дуже дрібні частки важких металів (золота, срібла, вольфраму), на яких наноситься ДНК. Ці частки вистрілюють по культурі клітин за допомогою стисненого повітря. Частина клітин у цьому випадку гине, але частина залишається живою й отримує чужий ген.

Використання ГМО

Такі організми можуть мати велике значення для підвищення ефективності сільського господарства та під час досліджень у галузі молекулярної біології. Перші генетично модифіковані організми, які одержали за допомогою методів молекулярної біології, з'явилися у світі лише у 80-х роках XXстоліття.

Зараз у різних галузях господарства широко використовуються генетично модифіковані організми, які належать до мікроорганізмів, тварин і рослин. Мікроорганізми використовують для синтезу людських білків (інсуліну, гормону росту тощо), які застосовують у медицині. Прикладом генетично модифікованих тварин є лосось (вбудований у геном ген забезпечив високу швидкість росту риби) та кози (новий ген забезпечує вироблення її молочними залозами молока з цінними для здоров'я речовинами). Генетично модифіковані рослини (соя, кукурудза тощо) мають підвищену стійкість до дії шкідників, захворювань і несприятливих погодних умов.

Отже, тепер ви знаєте

1. Що таке клітинна інженерія і які проблеми вона вирішує? 2. Як технології клітинної інженерії використовують у сучасній селекції? 3. Де застосовують генетичну інженерію? 4. Що таке генетично модифіковані організми? 5*. Чому використання методів генетичної інженерії для вирощування сільськогосподарських культур стало причиною дискусій наукової спільноти й громадськості?

Запитання та завдання

6*. Які недоліки має технологія використання стовбурових клітин? 7*. Наведіть приклади природних процесів, які є аналогами генетичної модифікації організмів у лабораторних умовах. Поясніть значення таких процесів у природі. 8*. Які екологічні проблеми сучасного людства можна вирішити (хоча б частково) за допомогою методів генної інженерії?