Г.Д. Карпеченко в 1924 году обработал колхицином стерильный гибрид капусты и редьки. Колхицин вызвал нерасхождение хромосом гибрида при гаметогенезе. Слияние диплоидных гамет привело к получению полиплоидного гибрида капусты и редьки (капредьки). Эксперимент Г.Д.Карпеченко можно проиллюстрировать следующей схемой.
I.До действия колхицином.
II.После действия колхицином и искусственного удвоения хромосом:
Одной из причин сахарного диабета является недостаток в организме инсулина — гормона поджелудочной железы. Инъекции инсулина, выделенного из поджелудочных желёз свиней и крупного рогатого скота, спасают миллионы жизней, однако у некоторых пациентов приводят к развитию аллергических реакций. Оптимальным бы решением было бы использование человеческого инсулина. Методами генной инженерии ген инсулина был встроен в ДНК кишечной палочки. Бактерия начала активно синтезировать инсулин. В 1982 году инсулин человека стал первым фармацевтическим препаратом, полученным с помощью методов генной инженерии.Основное действие инсулина заключается в снижении концентрации глюкозы в крови. Инсулин увеличивает проницаемость плазматических мембран для глюкозы, активирует ферменты гликолиза, стимулирует образование в печени и мышцах из глюкозы гликогена, усиливает синтез жиров и белков. Кроме того, инсулин подавляет активность ферментов, расщепляющих гликоген и жиры. Таким образом, инсулин оказывает многогранное влияние на обменные процессы практически во всех тканях.
Важным методом селекции является гибридизация (скрещивание). Отдалённая гибридизация заключается в скрещивании разных видов. В растениеводстве с помощью отдалённой гибридизации создана новая зерновая культура — тритикале, гибрид ржи с пшеницей. Классическим примером получения межвидовых гибридов в животноводстве является мулл.
Удобными объектами биотехнологии являются микроорганизмы, имеющие сравнительно просто организованный геном, короткий жизненный цикл и обладающие большим разнообразием физических и химических свойств. Этим и занимается новое направление в биотехнологии — генная инженерия. На базе методов генной инженерии в настоящее время уже сформировалась отрасль фармацевтической промышленности, вырабатывающей биологически активные вещества и препараты: инсулин, интерферон, некоторые ферменты и пептидные гормоны.
Человеческий ген, встроенный в геном бактерий, обеспечивает синтез гормона (гормона роста), инъекции которого используются при лечении карликовости и восстанавливают рост больных детей почти до нормального уровня.
Интерферон – защитный белок, вырабатываемый клетками млекопитающих и птиц в ответ на заражение их вирусами. При заражении клетки вирус начинает размножаться. Клетка-хозяин одновременно с этим начинает продукцию интерферона, который выходит из клетки и вступает в контакт с соседними клетками, делая их невосприимчивыми к вирусу. Интерферон не обладает прямым противовирусным действием, но вызывает такие изменения в клетке, которые препятствуют, в том числе и размножению вируса.
В современных условиях развитие общества важное значение имеет интенсификация сельскохозяйственного производства, т.е.получение максимального количества продукции при минимальных затратах. С этой целью создаются высокопродуктивные породы животных и сортов растений, устойчивые к экстремальным условиям среды, к болезням и вредителям, обладающие определёнными необходимыми качествами.
Порода, сорт или штамм — это совокупность особей одного вида, искусственно созданная человеком и характеризующаяся определёнными наследственными свойствами.
Полиплоидные растения имеют более широкую норму реакции и, следовательно, легче приспосабливаются к неблагоприятным условиям внешней среды. Полиплоидные формы известны в декоративном цветоводстве, например, тюльпаны, нарциссы, гладиолусы, имеющие очень крупные цветки.
Основной метод — выделение необходимых генов, их клонирование и введение в новую генетическую среду. Метод включает следующие этапы работы:
- выделение гена его объединение с молекулой ДНК клетки, которая сможет воспроизводить донорский ген в другой клетке (включение в плазмиду);
- введение плазмиды в геном бактериальной клетки — реципиента;
- отбор необходимых бактериальных клеток для практического использования;
- исследования в области генной инженерии распространяются не только на микроорганизмы, но и на человека. Они особенно актуальны при лечении болезней, связанных с нарушениями в иммунной системе, в системе свёртывания крови, в онкологии.
Примеры.
- Пищевой белок, которому придают определённую структуру (вид волокон мяса, зёрен чёрной икры), приятный запах, привычный вид.
- Глюкозо-фруктовые сиропы — заменители обычного сахара, из которых в промышленных условиях получают фруктовый сахар.
- Синтетические подсластители, в частности аспартам. Аспаркам в 200 раз слаще сахара. Его получают из двух аминокислот — аспарагиновой кислоты и фенилаланина. Но, употребляемый даже в незначительных дозах аспартам изменяет «химию» мозга, поведенческие реакции человека, вызывает сильную головную боль, головокружение.
| Получение растений методом культуры клеток и тканей моркови | ||||
| Корнеплод моркови и группа клеток корнеплода | Выделенные клетки в питательной среде | Деление клеток и развитие зародыша | Выращивание проростка в питательной среде | Пересадка проростка в грунт |
 |  |  |  |  |
Методы культуры тканей дают возможность получать гаплоидные растения из пыльцевых зёрен или яйцеклеток. Такие растения не способны образовывать гаметы, однако обработка этих растений колхицином даёт возможность получать диплоидные плодовитые растения.
Вегетативное размножение на искусственных питательных средах позволяет почти бесконечно размножать одно растение из маленьких кусочков вегетативных органов. Такой метод размножения применяется для овощных, плодовых и декоративных культур. Современные методы позволяют отбирать не взрослые растения, обладающие теми или иными свойствами, а клетки, из которых потом выращивают полноценные растения.
Таким образом, клеточная инженерия — это направление в науке и селекционной практике, которое изучает методы гибридизации соматических клеток, принадлежащих разным видам, возможности клонирования тканей или целых организмов из отдельных клеток. Одним из распространённых методов селекции растений является метод гаплоидов — получения полноценных гаплоидных растений из спермиев или яйцеклеток. Получены гибридные клетки, совмещающие свойства лимфоцитов крови и опухолевых, активно размножающихся клеток. Это позволяет быстро и в нужных количествах получать антитела.
Этапы генной инженерии:
- Получение нужного гена – выделение природного гена (с помощью ферментов рестриктаз), или его искусственный синтез
- Извлечение плазмиды из бактериальной клетки
- Включение этого гена в молекулу ДНК – переносчика (плазмиду) – получение рекомбинантной ДНК
- Введение рекомбинантной ДНК в клетку, где она встраивается в её генетический аппарат
- Отбор трансформированных клеток, в геном которых включился переносимый ген
Конструирование новых генетических структур успешно реализуют два направления:
1) пересадка природных генов в ДНК бактерий или грибов;
2) встраивание искусственно созданных генов, несущих заданную информацию.
Генетический аппарат бактериальной клетки представлен одной хромосомой — гигантской кольцевой молекулой ДНК, которая имеет мелкие кольцевые молекулы ДНК — плазмиды (содержат специфические гены). Плазмиды способны размножаться без особого контроля со стороны основной хромосомы. При создании особых условий в одной клетке можно получить тысячи копий плазмиды.
ДНК «разрезают» с помощью ферментов рестриктаз, затем «вшивают» чужой ген и «сшивают» свободные концы с помощью ферментов лигаз. Полученная рекомбинантная молекула ДНК плазмиды вводится в бактериальную или дрожжевую клетку, и получается рекомбинантный (химерный) организм, который может синтезировать новые вещества.
Так же, как и у бактерий, с помощью методов генной инженерии можно изменять и наследственный материал эукариотических организмов. Такие генетически перестроенные организмы называются трансгенными или генетически модифицированными организмами (ГМО).
В природе существует бактерия, которая выделяет токсин, убивающий многих вредных насекомых. Ген, отвечающий за синтез этого токсина, был выделен из генома бактерии и встроен в геном культурных растений. К настоящему времени уже созданы устойчивые к вредителям сорта кукурузы, риса, картофеля и других сельскохозяйственных растений. Выращивание таких трансгенных растений, которые не требуют использования пестицидов, имеет огромные преимущества, потому что, во-первых, пестициды убивают не только вредных, но и полезных насекомых, а во-вторых, многие пестициды накапливаются в окружающей среде и оказывают мутагенное влияние на живые организмы.
Один из первых успешных экспериментов по созданию генетически модифицированных животных был произведён на мышах, в геном которых был встроен ген гормона роста крыс. В результате трансгенные мыши росли гораздо быстрее и в итоге были в два раза больше обычных мышей.
Крупнейший русский учёный — генетик Н.И. Вавилов внёс огромный вклад в селекцию растений. Он установил, что все культурные растения, выращиваемые сегодня в разных регионах мира, имеют определённые географические центры происхождения. Эти центры находятся в тропических и субтропических зонах, т.е. там, где зарождалось культурное земледелие. Он обнаружил, что в определённых районах земного шара сконцентрировано наибольшее разнообразие сортов того или иного культурного растения. Например, для картофеля, сладкого перца, томата и др. максимум генетического разнообразия связан с Южной Америкой. (Андийский или Южноамериканский центр). Н.И.Вавилов пришёл к выводу, что районы максимального разнообразия являются центрами происхождения данной культуры. Исходя из этого, он выделил семь таких центров. В зависимости от дробности подразделения территории сейчас обычно выделяют семь-восемь таких очагов.
В настоящее время установлены и главные центры происхождения домашних животных.
