22. Трансгенные растения. Значения, состояние в мире. Трансгенные растения примеры

Растения-биофабрики

Развитие биотехнологий открыло новые возможности использования живых организмов на благо человечества. Методы генетической инженерии позволяют производить различные вещества в живых объектах, следовательно, мы можем использовать эти объекты в качестве природных «фабрик». Центральная догма молекулярной биологии в общем случае гласит: ДНК → РНК → белок. Именно белок часто является конечным продуктом биотехнологического производства: это может быть инсулин, интерфероны, антитела, ферменты, вакцины... Нам лишь нужно задать программу и «записать» ее в ДНК, а живой объект всё сделает сам. В качестве «фабрик» используют клетки дрожжей, бактерий, растений, а также культуры клеток насекомых и млекопитающих. В этой статье речь пойдет о растительных биофабриках.

Что такое растение-биофабрика?

Как объяснить понятие «растение-биофабрика»? Можно сказать, что это природное предприятие, которое будет изготавливать нужный нам биопродукт. В отличие от обычной фабрики, на таком предприятии будут трудиться не рабочие, а компоненты клеток: полимеразы нуклеиновых кислот, рибосомы, тРНК и многие другие. А производить они будут белок.

Почему именно растения?

Рисунок 1. Сравнение систем продукции рекомбинантных белков (от самых привлекательных «+» до наименее привлекательных «—»).

В настоящее время для наработки белков чаще всего используют бактерий, дрожжи, культуры клеток насекомых и млекопитающих. Очень привлекательной системой синтеза и накопления рекомбинантных белков (экспрессионной системой) являются и растения, и тому есть несколько причин. Прежде всего, в растительных тканях нет риска загрязнения рекомбинантного белка вирусами животных и прионами — инфекционными белками [1]. Растительные клетки обеспечивают правильную модификацию рекомбинантного белка, характерную для эукариотических клеток [2, 3]. Также большое значение имеют стоимость, простота и время. На рисунке 1 сравнивается несколько основных экспрессионных систем.

Из таблицы видно, что идеальной системы экспрессии не существует. Сегодня в России шире всего распространены бактериальные системы с E. coli в качестве самой популярной «рабочей лошадки». Еще в 2009 г. на долю этого микроорганизма приходилось 85% от всех систем экспрессии, несмотря на ряд существенных недостатков.

У каждой биофабрики есть свои плюсы и свои минусы. Но растительная система для многих ситуаций оказывается наиболее привлекательной.

Как заставить растение производить белок?

Для того чтобы растение производило нужный белок, в клетки этого растения необходимо внести чужеродный генетический материал — последовательность ДНК, кодирующую аминокислотную последовательность нужного белка.

Первый этап модификации растений с применением методов генетической инженерии включает поиск и выделение (или синтез) генов, которые будут перенесены в растительный геном. Гены, представляющие интерес для биотехнологов (целевые гены), могут быть «выращены» химическим путем, а также наработаны с помощью ПЦР (полимеразной цепной реакции). Затем целевой ген встраивается в подходящий вектор*, который и доставляет его к месту производства белка — подобно тому, как вагон с сырьём прицепляется к паровозу, направляющемуся к фабрике.

Как перенести в растительную клетку необходимую последовательность ДНК?

В настоящее время чаще используют два способа.

Первый связан с использованием природных генно-инженерных «навыков» почвенной агробактерии Agrobacterium tumefaciens, способной переносить фрагменты ДНК в растительную клетку, то есть модифицировать ее генетически. Этот процесс в природе происходит повсеместно и регулярно. В природной A. tumefaciens помимо хромосомы содержится Ti-плазмида, в состав которой входит так называемая Т-ДНК (transferred DNA) длиной 12–22 т.п.н., встраивающаяся в ДНК растительной хромосомы. Она кодирует ферменты синтеза фитогормонов и опинов — производных аминокислот, которые используются бактерией как источник углерода, азота и энергии.

Т-ДНК Ti-плазмид обладает двумя свойствами, делающими ее почти идеальным вектором для введения чужеродных генов в клетки растений. Во-первых, круг хозяев агробактерий очень широк: они трансформируют клетки практически всех двудольных растений (а при некоторых стараниях можно добиться заражения и однодольных, в том числе злаков). Во-вторых, интегрированная в геном растения Т-ДНК наследуется как простой доминантный признак в соответствии с законами Менделя. Простейший способ введения Т-ДНК в клетки растения — заражение его A. tumefaciens, содержащей подходящую Ti-плазмиду, дальнейшее же предоставляется естественному ходу событий. Необходимо только уметь встраивать нужные гены в Т-сегмент плазмидной ДНК.

После проникновения агробактерий в межклеточное пространство Т-ДНК переносится из агробактерии в ядро растительной клетки и встраивается в хромосомную ДНК. Далее происходят транскрипция и трансляция — синтезируется целевой белок. Сама бактерия в клетку при этом не проникает, а остается в межклеточном пространстве.

Второй способ — баллистическая трансформация с использованием генной пушки. Маленькие золотые или вольфрамовые частицы покрывают чужеродной ДНК и «выстреливают» в молодые растительные клетки. Этот метод позволяет встраивать нужные гены не только в хромосомы растений, но и в геном их органелл — пластид. Это очень полезно в первую очередь для получения растений, защищенных от вредителей, но при этом безопасных для опылителей: ведь трансгены не экспрессируются в не имеющих пластид цветках. Недавно таким способом создали трансгенный (а именно — транспластомный) картофель, в хлоропластах которого образуется и сохраняется неповрежденной двухцепочечная РНК, блокирующая синтез жизненно важного белка колорадского жука — β-актина. Поедая листья такого картофеля, личинки жуков погибают в считанные дни [6].

Менее распространенные, но всё же действенные способы трансформации — электропорация и трансформация с помощью вирусов.

Постоянная и временная экспрессия гена

Рисунок 2. Транзиентная экспрессия чужеродных генов в растениях с помощью агроинфильтрации. А — общий механизм процесса, Б — визуализация синтезируемого в растении репортера — GFP (зеленого флуоресцентного белка) — освещением листа ультрафиолетом.

В генетической инженерии растений можно встретить такие понятия: генетически модифицированное (ГМ, или трансгенное) растение и растение, обеспечивающее транзиентную (временную) экспрессию гена. В чем же разница?

Если речь идет о трансгенном растении, то подразумевается, что чужеродная ДНК интегрирована в хромосому. К настоящему времени получены десятки видов трансгенных растений, в геном которых перенесена ДНК, кодирующая различные белки медицинского назначения, такие как антигены различных возбудителей инфекционных заболеваний, терапевтические белки и моноклональные антитела [7, 8, 9]. Однако количество синтезируемого целевого белка в таких растениях обычно небольшое (менее 1% от общего растворимого белка).

При транзиентной экспрессии ДНК обычно не включается в ядерный геном, не реплицируется и не передается по наследству. Этот вид экспрессии не постоянный, однако некоторое время в одной клетке может присутствовать большое количество копий чужеродной ДНК, что обеспечивает высокий уровень синтеза конечного продукта. При наработке белков в растениях данный вариант наиболее эффективен. Мы как бы арендуем фабрику, и это оказывается более рентабельным, чем ее покупка. На рисунке 2 представлена модель переноса в растительную клетку ДНК для транзиентной экспрессии (в роли курьера — Agrobacterium tumefaciens).

Что может производить растение-биофабрика?

Использование растений в биотехнологии развивается в нескольких направлениях (рис. 3).

Рисунок 3. Возможности использования растений в биотехнологических целях.

Первое направление включает в себя создание растений с новыми свойствами. О несомненных плюсах трансгенных растений сказано немало [10]. Так, ведется разработка сортов, устойчивых одновременно к насекомым-вредителям и болезням, вызываемым вирусами, плесневыми грибками и бактериями. Идут исследования, которые позволят вывести сорта сельскохозяйственных культур, переносящих неблагоприятные климатические и химические условия, например, засуху и засоленность почвы [11]. Создаются продукты, в которых значительно увеличена доля полезных и питательных веществ, снижено содержание насыщенных жиров и аллергенов. Особое внимание уделяется разнонаправленным модификациям риса — ценного и относительно недорогого продукта питания, который можно было бы производить во всех беднейших регионах мира, включая засушливые [12].

В эту же группу можно отнести трансгенные растения, которые используются в качестве модельных объектов для изучения фундаментальных проблем функционирования генов.

Многие ГМ-растения сейчас находятся в массовом производстве. Это соя, кукуруза, картофель, маслянистые растения (рапс и подсолнух) и многие другие (рис. 4). Странами-лидерами в производстве таких растений являются США, Канада, Аргентина и Бразилия. Догоняют их Китай и Япония. С рядом растений работают некоторые страны ЕС и Австралия.

Среди компаний, разрабатывающих трансгенные растения, можно отметить Calgen, Monsanto, Ciba Seeds. Несмотря на то, что ГМ-растения продаются на многих рынках мира, дискуссии о безопасности их использовании еще не закончены. Больше всего слухов и скандалов разворачивается вокруг компании «Монсанто». Основная продукция этой фирмы — генетически модифицированные семена кукурузы, сои, хлопка, а также самый распространенный в мире гербицид «Раундап» (непатентованное название — глифосат).

Основанная Джоном Фрэнсисом Куини в 1901 году как чисто химическая компания, «Монсанто» эволюционировала в концерн, специализирующийся на высоких технологиях в области сельского хозяйства. Ключевым моментом в этой трансформации стал 1996 год, когда «Монсанто» выпустила на рынок первые генно-модифицированные сельскохозяйственные культуры: сою «Раундап Рэди» (Roundup Ready, RR), устойчивую к глифосату, и хлопок «Боллгард» (Bollgard), устойчивый к насекомым-вредителям (гусеницам).

Рисунок 4. Примеры трансгенных растений.

В марте 2005 года «Монсанто» приобрела крупнейшую семеноводческую компанию Seminis, специализирующуюся на производстве семян овощей и фруктов, в 2007–2008 годах поглотила 50 компаний — производителей семян по всему миру, после чего подверглась жесткой критике со стороны общества. В знак протеста против генетических манипуляций биотехнологического гиганта 25 мая 2013 года прошел «Марш против „Монсанто“», в котором приняли участие более 2 млн человек на шести континентах, в 52 странах мира.

В Центре «Биоинженерия» Российской академии наук на протяжении двух десятилетий ведутся работы по генетической инженерии растений — как для фундаментальных исследований, так и для сельского хозяйства. Были созданы генетически модифицированные сорта картофеля, устойчивые к колорадскому жуку, сорта свёклы, устойчивые к гербицидам и вирусам и др. Эти культуры могли бы решить ряд задач сельского хозяйства, но из-за до сих пор действующего в России законодательного ограничения они не выращиваются в открытом грунте. Само собой, этот запрет более чем странен, ведь ввоз ГМ-продукции в страну разрешен.

Второе направление представляет собой создание съедобных вакцин. В данном случае получают генно-модифицированное растение, синтезирующее вакцину. Такой привлекательной кажется идея: лежишь под пальмой, ешь банан, и ни одна тропическая зараза не берет!

Рисунок 5. Препарат трипсина, полученного в растениях (Sigma).

Концепцию производства вакцин в растениях впервые сформулировал Xью Мэйсон с соавторами [13]. Они предприняли попытку получения съедобной вакцины против вируса гепатита В на основе трансгенного табака. На следующем этапе был создан ГМ-картофель, продуцирующий поверхностный антиген вируса гепатита В. При скармливании мышам клубней такого картофеля наблюдали развитие специфического иммунного ответа. В 1999 г. были начаты эксперименты на добровольцах, и у людей, употреблявших в пищу сырые клубни картофеля, наблюдали формирование специфического иммунитета. Также были получены съедобные вакцины против вируса гепатита В на основе люпина и салата.

Созданы трансгенные растения картофеля и табака, производящие белок нуклеокапсида вируса Норфолк, вызывающего у людей острый гастроэнтерит и устойчивого к спиртовым антисептикам. Появился и трансгенный картофель, синтезирующий полипептид LT-B — субъединицу термолабильного токсина Е. coli, вызывающего диарею. Однако, несмотря на активные исследования в этой области, коммерческих препаратов на сегодняшний день нет.

Третье направление связано с наработкой в растениях определенных продуктов, которые затем выделяются из растений и могут быть использованы, например, в качестве лекарственных препаратов. Биотехнологическими компаниями по всему миру уже создано большое количество ГМ-растений для получения белков, в том числе и медицинского назначения [14]. Среди компаний, деятельность которых основана на использовании трансгенных растений, следует отметить фирмы Рrotalix (Израиль), Medicago (Канада), LemnaGene (Франция), Planet Biotechnology (США), ProgyGene (Люксембург), Сhlorogen Inc. (США), SemBioSys Genetics (Канада) и Bayer AG (Германия). Из белков медицинского назначения у производителей наиболее популярны инсулин, лизоцим, лактоферрин, коллаген, липаза, антитела, вакцины и др. Многие из этих препаратов уже проходят клинические испытания. А вот трипсин уже можно купить у компании Sigma (рис. 5).

При наработке в растительных клетках продуктов медицинского назначения тоже используют метод агробактериальной трансформации, обеспечивающей транзиентную экспрессию генов на высоком уровне. Очевидными преимуществами этих систем являются простота манипуляций, скорость, низкая стоимость и высокий выход конечного продукта. Кроме того, в данном случае возможен синтез сложных белков, состоящих из нескольких субъединиц. Этот способ позволяет получать в течение нескольких дней белок в больших количествах (до нескольких граммов белка на килограмм массы растения). Выход продукта начинается уже через три часа (!) после проникновения агробактерий в клетку и переноса ДНК, а экспрессия сохраняется до 10 дней. Максимум наработки определяется для каждого белка индивидуально, но в среднем это 3–4 суток. Суммарно на получение белков в растениях уходит 2–3 недели (рис. 6).

Рисунок 6. Принципиальная схема экспрессии генов целевых белков в растениях. Весь процесс получения белка занимает 2–3 недели.

В растениях уже нарабатываются вакцины от вирусов папилломы человека, гепатита В [15], гриппа, папилломы крупного рогатого скота [16], африканской катаральной лихорадки, герпеса рогатого скота [17], ящура [18] и др.

В Центре «Биоинженерия» также ведутся работы по экспрессии терапевтических белков в растениях. Так, в клетках Nicotiana benthamiana (вид табака) были произведены вакцинные препараты против вируса гриппа [19, 20]. Основой препарата служит высококонсервативный вирусный белок M2, который присоединен к белку-носителю для увеличения иммуногенности. Носителем может быть кóровый белок вируса гепатита В или бактериальный флагеллин. В случае флагеллина вакцинный препарат применяют интраназально, что является явным преимуществом. А использование высококонсервативной последовательности белка M2 делает вакцину универсальной, что исключает необходимость изготовления каждый год всё новых и новых ее вариантов. Эти вакцинные препараты показали хорошие результаты по иммуногенности и протективности в экспериментах с лабораторными животными; следующим этапом должно стать клиническое тестирование.

Об успехах в мире

Персонифицированная терапевтическая вакцина для лечения лимфомы, полученная с помощью транзиентной экспрессии в растении Nicotiana benthamiana, уже прошла I и II фазы клинических испытаний [21]. На данный момент (2015 год) ожидается старт III фазы. Растительная вакцина против пандемического гриппа H5N1 проходит II фазу клинических испытаний, результаты будут опубликованы в июне 2015 г. [22, 23]. Вакцина была разработана компанией Medicago. Стандартный процесс получения этой компанией вакцинных белков в растениях показан на видео.

Клинические испытания вакцинных препаратов занимают продолжительное время (около 10 лет). Невольно возникает вопрос с вакциной от гриппа, так как каждый год появляются новые штаммы, и будет ли прошедшая клинические испытания вакцина актуальной? Здесь большее значение имеет технология получения препарата. Новый тип вакцины проходит полный цикл клинических испытаний, а затем уже по отработанной методике может быть получена вакцина с учетом циркулирующих штаммов вируса. Так, сейчас сезонные профилактические прививки от гриппа получают в куриных яйцах, и такие вакцины уже не проходят клинических испытаний. Как будут обстоять дела с производством в растениях рекомбинантных вакцин для массового применения, покажет время.

* * *

Подводя итог, можно сказать, что растения дали возможность получения жизненно важных белков методами биотехнологии. Человек научился брать от природы всё лучшее и избегать худшего. Как Уильям Шекспир в «Ромео и Джульетте» написал про растение:

В его цветах — целебный аромат,А в листьях и корнях — сильнейший яд.

Так и человечество научилось брать целебный аромат, но не смертельный яд у растений. У растений-биофабрик — большое будущее!

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ РФ НШ-6150.2014.4.

1. Прионы: исследования таинственных молекул продолжаются;
2. Fischer R., Schilberg S., Helliwig S., Twyman R.M., Drossard J. (2012). GMP issues for recombinant plant-derived pharmaceutical proteins. Biotechnol. Adv. 30, 434–439;
3. Martinez C.A., Guilietti A.M., Talou R. (2012). Research advances in plant-made flavivirus antigens. Biotechnol. Adv. 30, 1493–505;
4. Молекулярное клонирование, или как засунуть в клетку чужеродный генетический материал;
5. А не замахнуться ли нам на… изменение генома?;
6. Двухцепочечная РНК защищает трансгенные растения только от нежелательных насекомых;
7. Sourrouille C., Marshall B., Lienard D., Faye L. (2009). From Neanderthal to nanobiotech: from plant potions to pharming with plant factories. Methods Mol. Biol. 483, 1–23;
8. Rybiski E.P. (2008). Plant-produced vaccines: promise and reality. Drug Discov. Today. 14, 16–24;
9. Yusibov V., Rabindran S. (2008). Recent progress in the development of plant derived vaccines. Expert Rev. Vaccines. 7, 1173–1183;
10. Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?;
11. Лекарству от голода — средство от засухи;
12. Готовим ГМ-рис вместе;
13. Mason H.S., Lam D.M., Arntzen C.J. (1992). Expression of hepatitis B surface antigen in transgenic plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 89, 11745–11749;
14. Paul M., Ma J.K-C. (2011). Plant-made pharmaceuticals: Leading products and production platforms. Biotechnol. Appl. Biochem. 58, 58–67;
15. Thuenemann E.C., Lenzi P., Love A.J., Taliansky M., Becares M., Zuniga S. et al. (2013). The use of transient expression systems for the rapid production of viruslike particles in plants. Curr. Pharm. Des. 19, 5564–5573;
16. Love A., Chapman S., Matic S., Noris E., Lomonosoff G., Taliansky M. (2012). In planta production of a candidate vaccine against bovine papillomavirus type 1. Planta. 236, 1305–1313;
17. Pérez Filgueira D.M., Zamorano P.I., Domínguez M.G., Taboga O., Del Médico Zajac M.P., Puntel M. et al. (2003). Bovine herpes virus gD protein produced in plants using a recombinant tobacco mosaic virus (TMV) vector possesses authentic antigenicity. Vaccine. 21, 4201–4209;
18. Wigdorovitz A., Pérez Filgueira D.M., Robertson N., Carrillo C., Sadir A.M., Morris T.J., Borca M.V. (1999). Protection of mice against challenge with foot and mouth disease virus (FMDV) by immunization with foliar extracts from plants infected with recombinant tobacco mosaic virus expressing the FMDV structural protein. Virology. 264, 85–91;
19. Равин Н.В., Котляров Р.Ю., Марданова Е.С., Куприянов В.В., Мигунов А.И., Степанова Л.А. и др. (2012). Продукция в растениях рекомбинантной противогриппозной вакцины на основе вирусоподобных HBc-частиц, несущих внеклеточный домен М2-белка. Биохимия. 77, 33–40;
20. Mardanova E.S., Kotlyarov R.Y., Kuprianov V.V., Stepanova L.A., Tsybalova L.M., Lomonosoff G., Ravin N.V. (2015). Rapid high-yield expression of a candidate influenza vaccine based on M2 protein linked to flagellin in plants using viral vectors. BMC Biotechnology. В печати;
21. McCormick A.A., Reddy S., Reinl S.J., Cameron T.I., Czerwinkski D.K., Vojdani F. et al. (2008). Plant-produced idiotype vaccines for the treatment of non-Hodgkin’s lymphoma: safety and immunogenicity in a Phase I clinical study. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105, 10131–10136;
22. D’Aoust M.A., Couture M.M., Charland N., Trépanier S., Landry N., Ors F., Vézina L.P. (2010). The production of hemagglutinin-based virus-like particles in plants: a rapid, efficient and safe response to pandemic influenza. Plant Biotechnol. J. 8, 607–619;
23. Sheldon E., Seiden D.J. (2014). Immunogenicity, safety and tolerability of a plant-derived seasonal virus-like-particle quadrivalent influenza vaccine in adults. ClinicalTrials.gov. (сервис Национальных институтов здоровья США)..

biomolecula.ru

12 невероятных примеров генной инженерии

Сумасшедшая наука

Светящиеся в темноте коты? Это может звучать, как научная фантастика, но они существуют уже многие годы. Капуста, производящая яд скорпионов? Сделано. Да, и в следующий раз, когда вам понадобится вакцина, доктор может просто дать вам банан.

Эти и многие другие генетически измененные организмы существуют сегодня, их ДНК была изменена и смешана с другой ДНК, чтобы получить полностью новый набор генов. Вы можете не знать этого, но многие из этих генетически модифицированных организмов являются частью жизни и даже частью повседневного питания. К примеру, в США около 45% кукурузы и 85% соевых бобов генетически модифицированы, и оценочно 70-75% бакалейных продуктов на полках продуктовых магазинов содержат генетически созданные ингредиенты.

Ниже представлен список самых странных растений и животных, созданных методами генной инженерии и существующих сегодня.

Светящиеся в темноте коты

В 2007 году южнокорейский ученый изменил ДНК кота, чтобы заставить его светиться в темноте, а затем взял эту ДНК и клонировал из нее других котов, создав целую группу пушистых флуоресцирующих кошачьих. И вот, как он это сделал: исследователь взял кожные клетки мужских особей турецкой ангоры и, используя вирус, ввел генетические инструкции по производству красного флуоресцентного белка. Затем он поместил генетически измененные ядра в яйцеклетки для клонирования, и эмбрионы были имплантированы назад донорским котам, что сделало их суррогатными матерями для собственных клонов.

Так для чего же нужно домашнее животное, работающее по совместительству ночником? Ученые говорят, что животные с флуоресцентными протеинами дадут возможность искусственно изучать на них человеческие генетические болезни.

Эко-свинья

Эко-свинья, или как критики ее еще называют Франкенсвин - это свинья, которая была генетически изменена для лучшего переваривания и переработки фосфора. Свиной навоз богат формой фосфора фитатом, а потому, когда фермеры используют его как удобрение, это химическое вещество попадает в водосборы и становится причиной цветения водорослей, которые, в свою очередь, уничтожают кислород в воде и убивают водную жизнь.

Ученые добавили бактерию E. Coli и ДНК мыши в эмбрион свиньи. Это изменение уменьшило производство фосфора свиньей ни много, ни мало на 70%, что сделало ее более экологически чистой.

Борющиеся с загрязнениями растения

Ученые Вашингтонского университета работают над созданием тополей, которые могут очищать загрязненные места при помощи впитывания через корневую систему загрязняющих веществ, содержащихся в подземных водах. После этого растения разлагают загрязнители на безвредные побочные продукты, которые впитываются корнями, стволом и листьями или высвобождаются в воздух.

В лабораторных испытаниях трансгенные растения удаляют ни много, ни мало 91% трихлорэтилена из жидкого раствора, химического вещества, являющегося самым распространенным загрязнителем подземных вод.

Ядовитая капуста

Ученые недавно выделили ген, отвечающий за яд в хвосте скорпиона, и начали искать способы введения его в капусту. Зачем нужна ядовитая капуста? Чтобы уменьшить использование пестицидов и при этом не давать гусеницам портить урожай. Это генетически модифицированное растение будет производить яд, убивающий гусениц после укуса листьев, но токсин изменен так, чтобы быть безвредным для людей.

Плетущие паутину козы

Крепкий и гибкий паутиний шелк является одним из самых ценных материалов в природе, его можно было бы использовать для производства целого ряда изделий от искусственных волокон до парашютных строп, если бы была возможность производства в коммерческих объемах. В 2000 году компания «Nexia Biotechnologies» заявила, что имеет решение: коза, производящая в своем молоке паутинный белок паука.

Исследователи вложили ген каркасной нити паутины в ДНК козы таким образом, чтобы животное стало производить паутинный белок только в своем молоке. Это «шелковое молоко» затем можно использовать для производства паутинного материала под названием «Биосталь».

Быстрорастущий лосось

Генетически модифицированный лосось компании «AquaBounty» растет в два раза быстрее, чем обычная рыба этого вида. На фото показаны два лосося одного возраста. В компании говорят, что рыба имеет тот же вкус, строение ткани, цвет и запах, как и обычный лосось; однако все еще идут споры о ее съедобности.Генетически созданный атлантический лосось имеет дополнительный гормон роста от чавычи, который позволяет рыбе производить гормон роста круглый год. Ученым удалось сохранить активность гормона при помощи гена, взятого у схожей на угря рыбы под названием «американская бельдюга» и действующего как «включатель» для гормона.

Если Федеральное управление США по контролю качества продуктов питания, напитков и лекарственных препаратов согласует продажу лосося, то это станет первым случаем, когда американское правительство разрешит распространять модифицированное животное для потребления человеком. В соответствии с федеральными положениями рыбу не надо будет помечать как генетически модифицированную.

Помидор Flavr Savr

Помидор Flavr Savr был первым коммерчески выращиваемым и генетически созданным продуктом питания, которому предоставили лицензию для потребления человеком. Добавляя антисмысловый ген, компания «Calgene» надеялась замедлить процесс созревания помидора, чтобы предотвратить процесс размягчения и гниения, давая при этом ему возможность сохранить природный вкус и цвет. В итоге помидоры оказались слишком чувствительными к перевозке и совершенно безвкусными.

Банановые вакцины

Вскоре люди смогут получать вакцину от гепатита Б и холеры, просто укусив банан. Исследователи успешно создали бананы, картофель, салат-латук, морковь и табак для производства вакцин, но, по их словам, идеальными для этой цели оказались именно бананы.

Когда измененная форма вируса вводится в молодое банановое дерево, его генетический материал быстро становится постоянной частью клеток растения. С ростом дерева его клетки производят вирусные белки, но не инфекционную часть вируса. Когда люди съедают кусок генетически созданного банана, заполненного вирусными белками, их иммунная система создает антитела для борьбы с болезнью; то же происходит и с обычной вакциной.

Менее страдающие от метеоризма коровы

Коровы производят значительные объемы метана в результате процессов пищеварения. Он производится бактерией,  являющейся побочным продуктом богатой целлюлозой диеты, включающей траву и сено. Метан – второй по объему после двуокиси углерода загрязнитель, вызывающий парниковый эффект, и потому ученые работали над созданием коровы, производящей меньше этого газа.

Исследователи в сфере сельского хозяйства Университета Альберты обнаружили бактерию, отвечающую за производство метана, и создали линию скота, выделяющего на 25% меньше газа, чем обычная корова.

Генетически модифицированные деревья

Деревья изменяются генетически для более быстрого роста, лучшей древесины и даже для обнаружения биологических атак. Сторонники генетически созданных деревьев говорят, что биотехнологии могут помочь остановить обезлесение и удовлетворить потребности в древесине и бумаге. Например, австралийское эвкалиптовое дерево изменено для устойчивости к низким температурам, была создана ладанная сосна с меньшим содержанием лигнина – вещества, дающего деревьям твердость. В 2003 году Пентагон даже наградил создателей сосны, меняющей цвет во время биологической или химической атаки.

Однако критики заявляют, что знаний о том, как созданные деревья влияют на природное окружение, еще недостаточно; среди иных недостатков они могут распространять гены на природные деревья или увеличивать риск воспламенения.

Лекарственные яйца

Британские ученые создали породу генетически модифицированных кур, которые производят в яйцах лекарства против рака. Животным добавили в ДНК гены людей, и, таким образом, человеческие белки секретируются в белок яиц вместе со сложными лекарственными белками, схожими с препаратами, используемыми для лечения рака кожи и других заболеваний.

Что же именно содержится в этих борющихся с болезнями яйцах? Куры несут яйца с miR24 – молекулой, способной лечить злокачественные опухоли и артрит, а также с человеческим интерфероном b-1a – антивирусным лекарством, схожим на современные препараты от множественного склероза.

Активно связывающие углерод растения

Ежегодно люди добавляют около девяти гигатонн углерода в атмосферу, а растения впитывают около пяти из этого количества. Оставшийся углерод способствует парниковому эффекту и глобальному потеплению, но ученые работают над созданием генетически модифицированных растений для улавливания этих остатков углерода.

Углерод может в течение десятилетий оставаться в листьях, ветвях, семенах и цветах растений, а тот, что попадает в корни, может быть там столетия. Таким образом, исследователи надеются создать биоэнергетические культуры с обширной корневой системой, которые смогут связывать и сохранять углерод под землей. Ученые в настоящее время работают над генетическим модифицированием многолетних растений, как просо прутьевидное и мискант, что связано с их большими корневыми системами. Подробнее об этом читайте на страницах нашего журнала.

Источник: MNN

www.facepla.net

ГЕНЕТИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫЕ РАСТЕНИЯ — Мегаобучалка

ВВЕДЕНИЕ

12 декабря 2007 года вступил в силу Федеральный закон от 25.10.2007 № 234-ФЗ «О внесении изменений в Закон Российской Федерации «О защите прав потребителей» и часть вторую Гражданского кодекса Российской Федерации», в котором подпунктом а) пункта 3 статьи 1 в абзац третий пункта 2 статьи 10 Закона Российской Федерации от 07.02.1992 № 2300-1 «О защите прав потребителей» внесено дополнение об обязательном наличии в отношении продуктов питания информации о наличии в них компонентов, полученных с ГМО, в случае, если содержание указанных организмов в таком компоненте составляет более 0,9 %. Содержание в пищевых продуктах менее 0,9% ГМО освобождает их от специальной маркировки.

Пищевые продукты, получаемые из видов, выведенных традиционными методами селекции, употребляются в пищу сотни лет, и продолжают появляться новые виды. Сорта, обладающие по сути такими же свойствами, выводятся и методами генетической модификации путем переноса одного или нескольких генов. Принято считать, что обычные методы выведения новых сортов культур более безопасны, чем технология генной модификации.

В последние годы возрос интерес к вопросу о пользе и вреде генно-модифицированных организмов. Зачастую люди и не знаю что такое ГМО. Попробуем в этом разобраться.

ГМО- это

Генетически модифицированная пища — это продукты питания, полученные из генетически модифицированных организмов (ГМО) — растений, животных или микроорганизмов.

«Генетически модифицированные (трансгенные) организмы можно опреде­лить как организмы, генетический мате­риал которых (ДНК) изменён способом, недостижимым естественным путём в ходе внутривидовых скрещиваний. Для получения ГМО используется технология рекомбинантных молекул. Генная инже­нерия позволяет переносить отдельные гены из любого живого организма в любой другой живой организм в составе кольцевых молекул ДНК (плазмид).»[ 5, 12]

Встраивание в геном организма преследует цель получения нового признака, которого невозможно достичь путём селекции или требующий многолетней работы селекционера. Применение биотехнологий позволяет сделать очень многое в практике народного хозяйства. Возможности микробиологического производства значительно расширились. Благодаря генетической инженерии область микробиологического синтеза различных биологически активных соединений, полупродуктов для синтеза, кормовых белков и добавок и других веществ стала одной из наиболее окупаемых наук, значительно ускорить процесс получения нового сорта, существенно снизить себестоимость и получить хорошо прогнозируемый эффект по признаку, определяемому встроенной конструкцией. Вложение средств в перспективные биотехнологические исследования обещает получение высокого экономического эффекта. Но вместе с новыми признаками организм приобретает целый набор новых качеств.

Типология генетически модифицированных организмов:

1. Генетически модифицированные растения (ГМР)

2. Генетически модифицированные микроорганизмы (ГММ)

3. Генетически модифицированные животные (ГМЖ)

4. Генетически модифицированный человек (ГМЧ)

ГЕНЕТИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫЕ РАСТЕНИЯ

Последние десятилетия характеризуются все более широким использованием генно-инженерных технологий при создании сельскохозяйственных растений - так называемые генетически модифицированные или трансгенные растения.

В 1993 году генетически измененные продукты были допущены на полки магазинов мира. Сейчас ГМ-растения занимают более 80 млн. га сельскохозяйственной земли и выращиваются более чем в 20 странах мира. 30% всей выращиваемой в мире сои, более 16% хлопка, 11% канолы и 7% кукурузы - продукты генной инженерии. Кстати, на территории России нет ни одного гектара, который был бы засеян ГМ-растениями. Теперь в России разрешили продавать 13 видов растительных продуктов, содержащих ГМП: три сорта сои, шесть сортов кукурузы, два сорта картофеля, по одному сорту - сахарной свеклы и риса. [6]

Генетически модифицированным называется растение, в геном которого методами генетической инженерии перенесены гены (их называют "трансгенами") из других организмов. Процесс переноса называется генетической трансформацией.

Наиболее широко используемый метод трансформации – агробактериальный. Почвенная бактерия Agrobacterium tumefaciens способна инфицировать двудольные растения, вызывая опухоли - корончатые галлы. При этом происходят перенос и встраивание в растительный геном двух групп генов: продукты одних вмешиваются в нормальный метаболизм растения и способствуют разрастанию опухоли, а продукты других синтезируют опины, вещества, ненужные растению, но используемые в пищу бактериями. Ученые модифицировали агробактерии таким образом, что они вместо собственных переносят в растения гены, нужные человеку.

Биобаллистический метод используется чаще всего для генетической модификации однодольных растений, нечувствительных к агробактериям. В специальных установках микрочастицы золота или вольфрама с нанесенной на них ДНК ускоряют при помощи сжатого гелия, и они проникают в ДНК клеток мишени.

Признаки придаваемые растениям можно разделить на три группы:

1. признаки, интересные производителям: устойчивость к различным факторам окружающей среды - гербицидам, болезням, вредителям, засухе, засолению, улучшение минерального питания, повышение укореняемости.

2. признаки представляющие интерес непосредственно для потребителей - модификация вкуса и аромата плодов, увеличение продолжительности их хранения, изменение окраски цветков, бессемянность, улучшение питательной ценности растений.

3. растения -"биофабрики", способные синтезировать вакцины, ферменты, биополимеры и другие полезные вещества.

В суспензию агробактерий, содержащих плазмиды с нужными генами, добавляют органы или ткани растений (экспланты), из которых проще всего регенерировать целые растения (чаще всего используются листья). Этот этап называется кокультивацией. Во время кокультивации агробактерии с помощью vir-белков переносят участок Ti-плазмиды и встраивают его в растительную ДНК.

Затем растительную ткань помещают на питательную среду, содержащую антибиотики. В этой среде выживают только те клетки, в которые агробактерии перенесли ген, придающий устойчивость к антибиотикам, то есть трансформированные. Условия и состав среды подобраны таким образом, что трансформированные клетки активно размножаются, образуя неорганизованную массу делящихся клеток (калллус), из которой регенерируют трансгенные растения. Полученные растения размножают и подвергают различным анализам сначала в пробирке, а потом - на полях и в теплицах.

megaobuchalka.ru

Трансгенные растения

Тысячи лет люди выводят новые сорта растений путем отбора экземпляров с новыми свойствами, полученными в результате случайных мутаций. С начала ХХ века стали целенаправленно применять облучение и химические мутагены, слияния соматических клеток и т. д., а скрещивание и отбор стали проводить с учетом законов Менделя. При этих традиционных методах изменения непредсказуемы и обычно затрагивают многие гены.

Генноинженерные методы позволяют создавать новые генотипы и, следовательно, новые формы растений гораздо быстрее, чем классические методы селекции. Кроме того, появляется возможность целенаправленного изменения генотипа.

Генная инженерия позволяет вводить в растения гены устойчивости к различным стрессовым факторам, фитопатогенам, гербицидам и пестицидам, гены скороспелости, фиксации азота и др. Возможно также и улучшение аминокислотного состава белков растений.

Процесс получения трансгенных растений начинается с введения требуемых генов в недифференцированные клетки таким образом, чтобы они интегрировались в хромосомы. Введение чужеродных генов в клетки растений облегчается, если их клеточные стенки удаляют с помощью гидролитических ферментов - пектиназы и(или) целлюлазы, что приводит к образованию протопластов. Чужеродные гены, находящиеся в составе векторных плазмид , вводят в протопласты одним из стандартных способов с использованием эндоцитоза, стимулированного полиэтиленгликолем, электропорации , микроинъекций или бомбардировки микрочастицами, нагруженными векторной ДНК. После этого протопласты в течение нескольких дней культивируют на питательной среде для восстановления клеточных стенок и образующиеся клетки-трансфектанты используют для регенерации целых растений.

Основным направлением применения трансгеноза для генетической модификации культурных растений является повышение их устойчивости к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, в частности вирусам и гербицидам. Метод защиты растений от вирусов с помощью трансгенов предложен В. Шибальским в 1988 г. Сущность метода заключается во введении в геном растений трансдействующих доминантных летальных генов или, по терминологии Шибальского, "анти-генов", которые кодируют измененные мутациями белки вирусов, существенные для их воспроизводства, и путем конкурентного замещения соответствующих белков вируса дикого типа прерывают его размножение. С использованием такого подхода удалось получить очень высокую устойчивость растений к вирусу Х картофеля (PVX) . В этом случае в ген репликазы PVX с помощью направленного мутагенеза вводили мутации, сопровождающиеся заменой аминокислот в консервативном участке полипептидной цепи репликазы, ассоциированном с ее каталитическим сайтом. Для экспрессии мутантного трансгена в растениях табака были характерны внутриклеточное накопление инактивированной репликазы и появление высокой устойчивости растений к заражению вирусом PVX.

Еще один подход к получению трансгенных растений, устойчивых к вирусам, основан на введении в них трансгенов, экспрессирующих в клетках моноклональные антитела, направленные против вирусных белков. С использованием такого метода создали эффективную систему защиты растений от вируса морщинистой мозаики артишока (AMCV) . Для этого сначала получили панель моноклональных антител к вирусу AMCV и отобрали гибридомы, продуцирующие антитела, которые взаимодействуют с консервативными участками белка оболочки вируса. Клетки гибридомы использовали для конструирования библиотеки кДНК, из которой выделили последовательности нуклеотидов, кодирующие полноразмерные тяжелые и легкие цепи иммуноглобулинов G класса 2b.

С помощью ПЦР и универсальных праймеров амплифицировали вариабельные участки этих последовательностей (VH и VL), которые далее клонировали в экспрессирующем векторе E. coli, что сопровождалось образованием полипептидов VH и VL, соединенных линкерным пептидом (антитела scFV). После отбора клонов, продуцирующих высокоаффинные антитела к вирусному антигену (scFV), объединенные таким образом гены VH-VL помещали в экспрессирующий вектор и использовали для получения трансгенных растений табака Nicotiana bentamiana. Трансгенные растения содержали в своих клетках до 0.1% антител от суммарного белка и оказались устойчивыми к AMCV-инфекции , но не к вирусу мозаики цветной капусты (CMV) , что указывало на специфический характер их резистентности. Трансгенные растения сорго, устойчивые к гербицидам, получали бомбардировкой незрелых эмбрионов на стадии зиготы микрочастицами золота (диаметр частиц - 1,5-3,0 мкм). В таком случае микрочастицы погружали в раствор экспрессирующего вектора, высушивали и "выстреливали" в клетки-мишени, добиваясь при этом высоких результатов трансфекции.

В настоящее время не вызывает сомнений, что многие продукты, потребляемые с фруктами, овощами и злаками, могут проявлять фармакологические эффекты и блокировать развитие сердечно-сосудистых, раковых и других заболеваний. К таким природным соединениям растений относятся сульфорафан из брокколи, резвератрол из винограда, генистеин из сои, эпигаллокатехин-3-галлат из зеленого чая.

Ранее было практически невозможно с помощью селекции создать растения с повышенным содержанием витаминов. Однако с развитием биохимии растений стало более ясным, какие метаболические пути являются критическими для биосинтеза витаминов. Например, для синтеза β-каротина (провитамина А) в растениях необходима фитоен-синтетаза. Этот фермент участвует в конденсации двух молекул геранил-геранил дифосфата. Ген фитоен-синтетазы из нарцисса введен в рис и экспрессирован в эндосперме риса. Таким образом, получен «золотой рис», который может помочь 2 млрд. человек, страдающих от дефицита витамина А, для которых рис – основная пища. Получены трансгенные растения рапса (канолы), экспрессирующие ген фитоен-синтетазы, в семенах которых значительно повысилось содержание каротиноидов. Показана экспрессия этого же фермента в клубнях картофеля, что приводило к повышенному синтезу каротиноидов и лютеина.

Недавно получены трансгенные растения земляники с повышенным синтезом L-аскорбиновой кислоты. Эти растения отличались суперэкспрессией гена НАДФ-зависимой Д-галактуронат-редуктазы (GalUR). Созданы растения сои с повышенным в пять раз содержанием витамина Е в семенах. Получены растения арабидопсиса с повышенным содержанием фолатов за счет экспрессии в них бактериального гена ГТФ-циклогидролазы-1 (EcGCH).

Конструирование трансгенных растений – продуцентов целевых белков

Растения являются удобной, безопасной и экономически выгодной альтернативой для продукции различных белков, вакцин и антител по сравнению с системами экспрессии на основе микроорганизмов, культур животных клеток или трансгенных животных. За последние 20 лет множество ценных белков эффективно экпрессировано в растениях. Это белки человеческой сыворотки, регуляторы роста, антитела, вакцины, промышленные ферменты, биополимеры и реагенты для молекулярной биологии. Растительные системы имеют перспективы успешного использования для производства рекомбинантных белков в промышленном масштабе. Рекомбинантные белки, экспрессируемые в растениях

Первым фармацевтически значимым белком, экспрессированным в растениях табака и подсолнечника в 1986 г., явился человеческий гормон роста. С тех пор множество других ценных белков были синтезированы в самых различных растениях.

Среди разнообразия рекомбинантных белков, продуцируемых растениями есть белки, используемые в молекулярно-биологических исследованиях (авидин), молочные белки, используемые в качестве пищевых добавок (казеин) и белки-полимеры для медицинских и промышленных целей (коллаген и эластин). Ценные биологически активные пептиды можно получать, встраивая их в состав запасных белков семян. Так, последовательность ДНК, кодирующая пентапептидный нейрогормон животных лейэнкефалин была встроена в ген 2S альбумина запасного белка семян Arabidopsis thaliana. Экспрессия этого гена в трансформированных растениях рапса и арабидопсиса позволила получить их семена с высоким содержанием рекомбинантного белка. Целевой пептид легко выделялся из рекомбинантного белка с помощью специфического протеолитического расщепления.

Примеры фармацевтически ценных белков, синтезируемых трансгенными растениями, приведены в табл.1. Многие из этих белков представляют собой продукты крови человека, такие как человеческий сывороточный альбумин (годовое производство более 500 тонн), цитокины и другие сигнальные молекулы.

biofile.ru

для чего они нужны? Перспективы создания и использования трансгенных животных с новыми полезными свойствами

Трансгенные животные, примеры которых будут приведены ниже, были получены экспериментальным путем. Они содержат во всех своих клетках дополнительную ДНК-трансген, внедренную в клетки животного с хромосомами и там реализующуюся. Трансген наследуется, согласно законам Менделя.

Причины создания

Трансгенные растения и животные различаются степенью сложности своего создания. Животные используются для решения теоретических задач в биомедицине и сельском хозяйстве. Среди причин создания трансгенных организмов можно обозначить следующие:

• животные с геном гормона роста в равных условиях содержания выдают повышенные темпы роста;
• для усиления иммунитета к инфекциям;
• для получения биологически активных веществ;
• для получения человеческого белка от трансгенных животных;
• использование животных как биореакторов для получения медпрепаратов.

Первые такие животные были получены в 1974 году в Кембридже ученым по имени Рудольф Яниш. Он в эмбрион мыши ввел ДНК-вирус обезьяны. В России первые трансгенные животные были выведены в 1982 году.

Получение

Зачем нужны трансгенные животные? Их создание происходит путем переноса клонированных ДНК в ядра оплодотворенных яйцеклеток, называемых зиготами, или стволовых эмбриональных клеток. После чего в органы репродуктивности пересаживаются измененные зиготы или яйцеклетки.

Если не вдаваться в подробности, то весь процесс заключается в следующем:

1. В ядро яйцеклетки, предварительно оплодотворенной, вводится клонированный ген.
2. Оплодотворенные яйцеклетки с внедренной ДНК помещаются в выбранную заранее женскую особь для дальнейшего вынашивания трансгенного плода.
3. Проводится отбор потомства, родившегося при помощи внедрения чужеродной ДНК, с таким расчетом, чтобы клонированный ген содержался в каждой клетке полученного организма.
4. Скрещиваются животные, которые в клетках зародышевой линии несут клонированный ген.
5. Таким образом получают новую генетическую линию.

Подобные эксперименты весьма затратны в плане необходимого для этого времени. Несмотря на это, трансгенез становится мощнейшим инструментом для исследования заболеваний человека. При помощи трансгенеза проводится работа над генетической модификацией молочных желез животных для получения из молока белка, идентичного человеческому, а также для изготовления фармацевтических препаратов.

Методы трансгенеза животных

Для чего они нужны? Трансгенные животные – это отдельные особи, геном которых отличается искусственно дополненной генетической информацией. Трансген представляет собой в одном случае самостоятельный участок ДНК с собственными регуляторными последовательностями. В другом - это созданный из различных молекул ДНК-гибридный (рекомбинантный) ген.

Трансген – это введенный искусственно и закрепившийся в ДНК животного чужеродный ген. А трансгенез – это процесс интеграции и переноса в геном животного чужеродной генетической информации.

Существуют определенные методы получения трансгенных животных. Среди них выделяют:

1. Микроинъекционный метод.
2. Метод использования ретровирусных векторов.
3. Пересадка ядер клеток, которые культивируются in vitro.
4. Метод липосом – переносчиков ДНК.
5. Метод использования половых клеток семенников.

Метод микроинъекции

Впервые для получения трансгенных животных был использован именно метод микроинъекции. Это произошло в 1985 году одновременно в двух исследовательских лабораториях. Одна из них принадлежала США, другая находилась в Германии. В настоящее время этот метод является наиболее часто используемым.

Способ микроинъекции основан на введении раствора генных конструкций в мужской пронуклеус (предшественник ядра) зигот. При оплодотворении в яйцеклетке образуются два ядра, одно из которых мужское (мужской пронуклеус), другое - женское (женский пронуклеус). Мужской и женский пронуклеусы после сближения объединяются в общее ядро с соединением отцовских и материнских хромосом в один генотип эмбриона.

Об успешности микроинъекции можно судить по увеличению объема пронуклеуса в 1,5 раза. Когда процедура завершается, получившиеся эмбрионы несколько часов культивируются, а затем подсаживаются в матку одновременно нескольким самкам.

После рождения потомства производится анализ на интеграцию трансгена путем отбора проб. Число трансгенных малышей от общего числа родившегося при помощи данного метода потомства весьма незначительно. У испытуемых мышей это примерно 15 %, у свиней - от 10 до 15 %, у овец, коз и крупного рогатого скота этот показатель лавируется от 5 до 10 %. Над улучшением данного соотношения ученые работают по сей день.

Метод использования ретровирусных векторов

Перенос ДНК в эмбриональные линии животных при помощи ретровирусных векторов – это довольно результативный метод. Ретровирусы являются ядросодержащими вирусами. Их генетический материал – это одноцепочечная рибонуклеиновая кислота (РНК).

Ретровирусы могут быть экотропными, то есть способными воспроизводиться в клетках одного вида животных или нескольких близкородственных видов. Например, вирус лейкимии мыши может размножаться только в клетках мыши или крысы. Амфотропные же вирусы способны к распространению во многих видах животных.

Ретровирус проникает в клетку при помощи микропиноцитоза – транспорта небольших по размеру молекул. У одних вирусов транскрипция происходит в ядре клетки, у других - в цитоплазме. Если интеграция случается в геноме генеративных клеток, то ретровирусы передаются потомству по наследству. Здесь идет речь об эндогенных ретровирусах.

Впервые вирусная ДНК была обнаружена в клетках взрослой мыши в 1974 году. Инфекция зигот в большинстве случаев приводит к получению трансгенных животных, так как интеграция возможна, если клетка вступает в непрямое деление после репликации ДНК.

Преимущества использования ретровирусных векторов:

1. Почти 100 % эмбрионов, обработанных ретровирусом, могут быть инфицированы.
2. Становится возможным проведение генной терапией наследственных заболеваний.
3. Ретровирусы делают возможной трансформацию отдельных органов (например, молочных желез для повышения удоя).

Недостатки использования ретровирусных векторов:

1. Ограниченная емкость.
2. Подавление экспрессии трансгенов in vivo.
3. Низкий титр (решена при помощи псевдотипирования).
4. Возможность клеточных онкогенов.
5. Невозможность передачи по наследству трансформации отдельных органов.

Метод пересадки ядер клеток

Особенностью метода является использование трансформированных клеточных линий для получения трансгенных особей при помощи генных конструкций. Для этого берутся стволовые линии, а также соматические клетки, которые культивируются in vitro, то есть в пробирке.

Одним из методов пересадки ядер является метод микроманипуляции, и заключается он в следующем:

1. При помощи микропипетки происходит извлечение пронуклеусов после того, как произошло прокалывание зон пеллюцида и зон плазматической мембраны.
2. Пипеткой с большим диаметром в тот же прокол вводится ядро с полным набором хромосом от донора.

При помощи такого метода цитоплазма зиготы травмируется намного меньше, как и донорское ядро.

Существует еще один способ трансплантации ядра. Этот метод заключается в использовании для этой цели цитохалазинов, то есть веществ, которые синтезированы при помощи грибов. Структура микроферментов (нитей, состоящих из молекул глобулярного белка актина) разрушается цитохалазином В, после чего ядро может быть расположено уникальным образом.

Ядро при помощи тоненькой нити цитоплазмы остается соединенным с клеткой. Затем эта связь искусственно разрывается при помощи центрифугирования. Образуются цитопласты (клетки без ядра) и кариопласты (ядра, окруженные цитоплазмой). В градиенте плотности цитопласты отделяются от интактных клеток, и могут быть использованы для соединения с кариопластами других клеток, чтобы получилась жизнеспособная клетка.

Метод липосом – переносчиков ДНК

Это самый безвредный метод трансгенеза. Его особенность заключается в использовании липосом для сохранения и переноса в них генов. Липосомы создаются с различными свойствами. Они не иммуногены и не обладают токсичностью.

Однако данный метод не является эффективным, потому что ДНК, транспортированная таким образом в клетку, сразу же захватывается лизосомами и разрушается ими.

Метод использования половых клеток семенников

Сперматозоиды – это природный вектор, который транспортирует ДНК в клетку. Но проводимые в этой области исследования показали неоднозначные результаты метода. В экспериментах М. Lavitrano в 1989 году 30 % опытных мышей, которые были получены при помощи инъекций измененных сперматозоидов в неоплодотворенные яйцеклетки мыши, оказались трансгенными и могли передавать трансген по наследству.

В другом случае множество попыток повторить этот результат в других лабораториях не увенчались успехом, при сходных условиях были получены разные результаты. Из всего этого можно сделать предположение, что удачная трансформация ДНК наблюдается только на определенной стадии клеточного цикла. До сих пор ведутся исследования в области определения механизма встраивания экзогенной ДНК в геном сперматозоида.

Возможность использования после криоконсервации сперматозоидов является положительным моментом данного метода. Отрицательной же стороной считается большое количество микроманипуляций, необходимых при трансгенезе при помощи этого способа.

Но все же сперматозоиды имеют способность поглощать ДНК и накапливать ее в ядре. Для достижения большего эффекта соединения ДНК со сперматозоидом существует несколько методов: липосомный, инъекция в семенники, в семенные канальцы при помощи создания пор в липидной мембране под действием электрического поля.

Выключенные гены

Выключение гена – это подавление экспрессии генов, то есть сайленсинг генов или генный нокаут. При этом процессе экспрессия необходимого гена прекращается, но последовательность нуклеотидов остается неизменной.

Выключение гена может происходить при переносе информации с ДНК на РНК, то есть транскрипции, и после нее. Механизмы выключения генов защищают организм от вирусов и прыгающих генов. Поэтому сайленсинг является частью иммунной системы, которая защищает от чужеродной ДНК. Трансгенные животные с выключенными генами и их создание называются генным таргетингом.

Наследование генов, согласно законам Менделя

Законы Менделя описывают особенности передачи от организма родителя к организму детеныша характеристик, несущих наследственность. Данные принципы находятся в основе классической генетики. В основном во всех научных статьях раскрывается одно из правил Менделя и пара законов.

Правило первого поколения гибридов и их единообразие гласит о том, что данные гибриды всегда наследуют один из признаков родителя.

Закон расщепления признаков является первым законом Менделя. В нем говорится о том, что у ¾ подопытных животных выявились доминантные признаки, а у ¼ - рецессивные.

Закон независимого наследования признаков является вторым законом. Здесь Менделем описывается распределение признаков при скрещивании полигибридном и дигибридном.

Полезные свойства

Создание трансгенных животных с новыми полезными свойствами – это процесс непрекращающийся.

Трансгенные животные, примеры которых приведены ниже, уже существуют в современном мире:

• В Великобритании при помощи трансгенеза были выведены овцы. Молоко этих животных содержит в себе фактор, способствующий свертыванию крови.

• У трансгенных свиней, созданных в России, был изменен обмен веществ посредством введения гена соматотропина, что позволило снизить жирность мяса.
• Американцы работают над созданием коров, в чьем молоке содержится человеческий альбумин, который используется для поддержания нормального давления крови.

Перспективы использования трансгенных животных

В ближайшем будущем предполагается создание таких животных, одни гены которых нокаутированы, а другие введены в состав их генома.

• Получение модифицированного молока.

Предполагается, что такое молоко в своем составе будет максимально приближено к составу материнского молока человека. В этом направлении проводится работа с эмбриональными стволовыми клетками.

• Использование трансгенных животных для получения органов, которые пересаживаются человеку.

Не секрет, что человечество нуждается в донорских органах. Сейчас генетики ведут работу над выращиванием таких органов в теле животных. Например, органы свиней вполне могли бы подойти по своему размеру и составу. Но они будут незамедлительно отторгнуты человеческой иммунной системой. Чтобы этого не происходило, создается трансгенная свинья, у которой выключены гены гистосовместимости, а вместо них внедрены гены гистосовместимости человека.

• Клонирование трансгенных животных.

Создание трансгенных животных - трудозатратный процесс. Согласно статистике, на 100 инъецированных зигот овцы, 40 мышиных зигот и 1500 зигот коровы приходится менее 50% особей, экспрессирующих трансгенный белок. При удачной попытке получения трансгенного животного совсем необязательно, что его потомками будет наследован трансген. Поэтому клонирование животного с необходимыми генетическими параметрами – есть оптимальный выход из положения.

fb.ru

22. Трансгенные растения. Значения, состояние в мире.

ГИ позвол получать организмы с измен ген аппаратом, получ ГМО пришивка нужный ген опред-й новое св-во организма или вырезают ген, признак к-й нужно убрать

В мире S посевов трансген культур 180 мл га на 2015 г. В россии выращ-е запрещенно.

Получены ГМ культуры: рис, соя, кратофель,

Плод-е и все хоз ценные раст-я имеют ГМ формы томат, кукурузы, хлопок

ГМ растения выращ-т в 120 странах. В 30-40 отказались

Выращ-е ГМР позвол повысить урож-ть, получ-е кач-й продукции

В некоторых странах создание, производство, применение продукции с использованием ГМО подлежит государственному регулированию. В том числе и в России, где исследовано и одобрено к применению несколько видов трансгенных продуктов.

Генети́чески модифици́рованный органи́зм (ГМО) — организм, генотип которого был искусственно изменён при помощи методов генной инженерии. Это определение может применяться для растений, животных и микроорганизмов. Генетические изменения, как правило, производятся в научных или хозяйственных целях.

начение:

Пример: инсулин, получаемый с помощью генетически модифицированных бактерий.

Генная инженерия используется для создания новых сортов растений, устойчивых к неблагоприятным условиям среды и вредителям, обладающих лучшими ростовыми и вкусовыми качествами.

Проходят испытания генетически модифицированные сорта лесных пород со значительным содержанием целлюлозы в древесине и быстрым ростом.

Методом генного редактирования удалось создать свиней, которые потенциально устойчивы к африканской свиной чуме.

Разрабатываются генетически модифицированные бактерии, способные производить экологически чистое топливо

23. Получение трансгенных растений, устойчивых к грибным, вирусным болезням, стрессам, с повышенной продуктивностью.

К болезням (вирусные, бак-е, грибные)

Пришив гены синтезом в-в токсичным для патогенов .

К грибам: ген синтеза гидролиза (разруш) хитиназы, к-й разруш-т хит стенку у плес-х грибов

К вирус-м болезням: гены ситеза белков капсидов вируса ВТМ (вирус таб-й мозайки)

Раст-я уст-вы за счт помещения чел гена синтеза интерферона

Этапы:

1. Подбор растения или другие организмы, выбор гена и его клонирование. Гены можно брать у растений, животных и др организмов, его выделяют, помещают в плазмиду клетки пыльцы, его размножают.

2. Подбор генотипа растения рецепиента. Реципиентами служат высокоурожайные сорта, не имеющие недостатков.

Реципиент - объект получающий что-либо от другого объекта

3. Перенос чужеродных генов в геном растения, используют векторы трансформации.

4. Трасформированные растительные клетки, получение калусной ткани и из нее целого растения, проверка на наличие этого признака, проверка биобезопасности.

Битехнология получения растений с повышенной продуктивностью.

С помощью технологий повыш содерж белка, дира, сахаров, крахмала, получ-е зарна злак-х культур с повыш содерж триптофана, лизина. Картофель - повыш крахмал, Рапсовое масло - без руковой кис-ты

С этой целью пришив-т гены фотосинтеза С4 в раст-я с фотосин С3, так же гены отвеч-т за кол-во хлороласта и гена А и В.

Устойчивых к стрессам.

Засуха, переувлажнение, высокие или низкие t, засоления, кислая pH и др, они уменьшают урожайность. В ответ на стресс в клетках синтезируются осмопротектазы. Аминокислота пролин – гены, кодирующие синтез пролина из кишечной палочки и пришиты. Для получ раст уст к стрессам гены пролина пришив в раст-я (табак, газ-е травы)

studfiles.net

трансгенные растения

ТРАНСГЕННЫЕ РАСТЕНИЯ –ПРОДУЦЕНТЫ РЕКОМБИНАНТНЫХ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИ ЦЕННЫХ БЕЛКОВ

Рост народонаселения мира, а также сокращение площадей на которых возможно выращивание культурных растений заостряет проблему обеспечения людей пищей. Для повышения количества и качества пищи традиционных подходов сегодня недостаточно. Именно по этой причине производство пищевых продуктов стало самым важным направлением генной инженерии. Задачей этого направления является повышение на принципиально новой основе урожайности сельскохозяйственных растений и, прежде всего, злаковых культур как источника хлеба. Пионером в создании ГМО являются США, где многие сорта сои, кукурузы, картофеля, томатов, сахарной свеклы, пшеницы, являются трансгенными. Всего в мире, в настоящее время, под такими растениями занято 67.7 млн. га посевных площадей и из них 63% приходится на США. В России на поля не выведен ни 1 сорт ГМ растений.

Использование растений для медицинских целей.

Для медицинских целей растения используются человечеством уже многие тысячи лет. Однако только на рубеже 21 века с помощью методов генетической инженерии стало возможным создавать новые типы растений, в тканях которых могут синтезироваться и накапливаться белки из различных гетерологичных систем (вирусов, бактерий, животных и человека). В биотехнологии развитых стран наблюдается тенденция привлечения растительных систем экспрессии для производства различных биофармацевтических веществ в трансгенных растениях. Привлекательность растений в качестве систем экспрессии для накопления рекомбинатных фармацевтически ценных белков обеспечивается многими обстоятельствами. В растительных тканях нет риска загрязнения рекомбинантного белка патогенами животного происхождения – вирусами и прионами. Растительные клетки обеспечивают правильную посттрансляционную модификацию рекомбинантного белка, характерную для эукариотических клеток, а также его сборку и фолдинг. Экспрессированные в растительных клетках рекомбинантные белки могут быть направлены в различные компартменты растительной клетки (вакуоли или люмены эндоплазматического ретикулюма), а также в апопласт и различные органы растения (семена, клубни, плоды и т.д.). Благодаря этому рекомбинантные белки в растительных тканях могут быть длительное время (месяцы и годы) сохранены без каких-либо изменений и снижения биологической активности.

Поиск различных систем для экспрессии чужеродных генов связан с развитием трёх основных подходов.

Первым из них был предложен путь использования трансгенных растений, в ядерный геном которых перенесены гены, контролирующие синтез соответствующих гетерологичных белков. Получение таких растений было основано на природной способности почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens переносить часть своей собственной ДНК в виде Т-области мегаплазмиды в растительные клетки. Именно эта часть Ti-плазмиды была использована учёными для переноса генно-инженерных конструкций, включающих различные целевые гены. В качестве целевых можно было использовать и гены гетерологичных белков медицинского назначения. Использование только агробактериального переноса в значительной степени сужало круг растений-реципиентов и ограничивало его до двудольных. Поэтому были разработаны методы прямой доставки чужеродных генов в растительный геном, такие, как микроинъекции, электропорация и биобаллистика . Биобалллистика - суть метода заключается в том, что на мельчайшие частички инертного металла (вольфрам, титан, золото), напыляется ДНК вектор, содержащий необходимую для трансформирования генную конструкцию. Металлические частички, несущие ДНК, наносятся на пластиковую пулю и помещаются внутрь биолистической (генетической) пушки на расстоянии 10-15 см над растительной тканью-мишенью. В пушке вакуумным насосом уменьшается давление до 0.1 атм. В момент сбрасывания давления частички металла с огромной скоростью выбрасываются из специального отверстия, над которым помещается пуля, и, разрывая клеточные стенки, входят в цитоплазму и ядро клеток. В этом случае для переноса использовалась очищенная плазмидная ДНК, в которой содержались генетические конструкции с целевыми генами.

При переносе в геном растения чужеродные гены, как правило, стабильно интегрируются и передаются потомкам в последующих поколениях согласно законам Менделя . Расщепление 3:1.Хотя идея внедрения экзогенной ДНК в растительный геном для наработки соответствующих продуктов в растении представляется весьма перспективной, этот подход не лишен и некоторых недостатков. Среди них необходимо отметить низкий уровень экспрессии перенесенных генов, даже при использовании очень сильных промоторов. Содержание сывороточного альбумина человека в трансгенных тканях табака составило 0,02 % от суммарного белка. Одной из причин этого, по-видимому, является увеличение скорости деградации мРНК чужеродного гена, когда её уровень достигает порогового значения. Этот механизм, возможно, служит одним из способов защиты растения от РНК-содержащих вирусов. Второй причиной низкого уровня продукции является протеолиз чужеродных белков в цитоплазме растительной клетки. Введение в полипептидную цепь целевого белка сигнальных последовательностей, направляющих его накопление в эндоплазматической сети или секрецию в апопласт, где частота протеолиза значительно ниже, позволяет достичь повышения продуктивности трансгенных растений в 100 раз. Экспрессия целевых белков в запасной ткани семян, где уровень биодеградации ниже, чем в обводнённых тканях (листья, плоды), способствует повышению продуктивности на 2-3 порядка. Интеграция чужеродных генов в ядерный геном растения сопряжена и с рядом проблем биобезопасности использования генетически модифицированных организмов. При получении трансгенных растений в сельскохозяйственных масштабах существует опасность утечки трансгена в окружающую среду в результате переопыления с близкородственными дикорастущими видами. Для повышения уровня биобезопасности рядом исследователей было предложено использовать для трансгенеза стерильные по мужской линии растения .

Другой проблемой, возникающей при интеграции гетерологичных генов в ядерный геном растений, является вероятность "замолкания" трансгенов в последующих поколениях (сайленсинг). Вероятность сайленсинга резко возрастает при встраивании множества копий чужеродного гена на геном растения). Поэтому при создании трансгенных растений-биопродуцентов рекомбинантных белков среди трансформантов отбирают растения, содержащие только одну встройку чужеродного гена.

В связи с вышеперечисленными проблемами, возникающими при интеграции трансгенов в ядерный геном, весьма привлекательным представляется способ переноса экзогенной ДНК в геном хлоропластов. В одной растительной клетке в среднем содержится от 5 до 10 тыс. копий хлоропластной ДНК, за счёт чего уровень экспрессии чужеродных белков достигает значений, сравнимых с уровнем экспрессии в E. coli (до 40 % от суммарного белка клетки). Однако встречаются только единичные работы по получению растений с генетически модифицированными хлоропластами. Это связано с чрезвычайной сложностью методов их трансформации и последующего отбора.

Третий путь использования растений для накопления белков гетерологичного происхождения основан на природной способности растительных вирусов проникать в клетки растений и колонизировать растительные ткани .На этой основе возникает реальная возможность модификации вирусного генома и адаптации его не только в качестве вектора для доставки в растения соответствующих генетических конструкций, но и в качестве матриц для экспрессии генов, кодирующих синтез белко,. Для заражения растительных тканей используются рекомбинантные РНК-содержащие вирусы растений, несущие в составе своего генома транскрипт чужеродного гена. Скорость мультипликации вирусной РНК в растениях чрезвычайно высока, за счёт чего достигается высокая копийность транскриптов чужеродных генов в цитоплазме заражённых клеток. Поэтому продуктивность вирусной системы экспрессии в среднем на 2 порядка выше по сравнению со стабильной трансформацией растений.

В настоящее время широко используются два вида вирусов для продукции чужеродных белков в растениях: вирус табачной мозаики (ВТМ) и вирус мозаики коровьего гороха (ВМКГ). Вектор на основе РНК ВТМ использовался для получения ингибитора репликации ВИЧ α-трихосантина в Nicotiana benthamiana. При интеграции генов в геном вирусов в зараженных вирусами растениях обеспечивается их временная (транзиентная) экспрессия. Накопление соответствующих белковых продуктов будет определяться периодом вегетации зараженного растения-хозяина. С другой стороны, пре-имуществом вирусного пути накопления белков в растениях является короткий период размножения вирусных частиц, простота инфицирования растений, а также широкий диапазон различных видов растений, которые могли бы быть использованы для этих целей.

Растения-продуценты антител

Цель иммунизации организма вакцинами - индуцировать продукцию антител на патогенный агент. Альтернативой такому подходу является метод пассивной иммунизации, основанный на введении готовых иммуноглобу-линов. Были получены трансгенные растения-продуценты различных типов антител к эпитопам ряда патогенных агентов. Анализируя уровень экспрессии перенесённых генов в геноме растений-биопродуцентов антител, можно отметить, что уровень продуктивности иммуноглобулина к поверхностному антигену Staphylococcus mutants в растениях табака оказался наиболее высоким и составил 500 мкг/г сырого веса .Такие антитела, выделенные из трансгенных растений табака, предупреждали развитие кариеса у пациентов при непосредственном нанесении их на зубную эмаль и не уступали по своим свойствам аналогичным антителам, получаемым из гибридомы мышей.

Иммуноглобулины к раковому эмбриональному антигену были получены в трансгенных растениях риса и пшеницы . Такие антитела используются в иммунотерапии онкологических заболеваний.

Растения-продуценты субъединичных вакцин

Трансгенные растения-продуценты эпитопов болезнетворных агентов человека и животных получили название "съедобных вакцин". Механизм иммунизации такими вакцинами основан на антигенпредставляющей способности перитонеальных макрофагов тонкого кишечника млекопитающих. Следует отметить, что мукозная вакцинация стимулирует как иммунный ответ слизистых оболочек - первого защитного барьера на пути патогенных агентов, так и общий иммунный ответ организма.

Основные преимущества "съедобных вакцин" - экономичность, безопасность и доступность для широкой иммунопрофилактики населения.

Растения-продуценты фармацевтических белков

За последние несколько лет в ведущих биотехнологических центрах мира созданы трансгенные растения-продуценты широкого спектра гормонов, цитокинов, факторов роста и ферментов, имеющих потенциальное применение в фармакологии .Все они не уступали по биологической активности аналогам, получаемым из других систем экспрессии.

По закону, принятому Всемирной организацией здравоохранения, любые предлагаемые источники лекарственных препаратов, в частности трансгенные растения, должны быть зарегистрированы и пройти серию клинических испытаний. Первые клинические испытания трансгенных растений риса, синтезирующих активный человеческий a-1-антитрипсин для терапии фиброзного кистоза, были начаты в 1998 г.

Производство рекомбинантных белков для медицинских целей с использованием традиционных систем требует значительных финансовых затрат. Так, например, недостаток лизосомального фермента гликоцеребрози-дазы в организме вызывает синдром Гоше. Единственным видом терапии этого заболевания является внутревенное введение гликоцереброзидазы. Долгое время этот белок получали из плаценты человека, на поддержание жизни одного пациента в течение года требовалось 160000$. Переключение продукции гликоцереброзидазы на культуру клеток млекопитающих снизило стоимость этого препарата, однако не вытеснило его из группы "самых дорогих лекарств в мире". Было показано, что трансгенные растения способны синтезировать биологически активную гликоцереброзидазу человека. В дальнейшем были получены высокопродуктивные трансгенные растения табака, в которых содержание гликоцереброзидазы человека варьировало от 1 до 10 % TSP. Ожидается, что получение рекомбинантной гликоцереброзидазы из таких растений позволит значительно снизить её стоимость.

В заключение хотелось бы отметить, что несмотря на значительные достижения в области продукции рекомбинантных белков медицинского назначения в растениях, это направление находится лишь на начальном этапе своего развития. Учёные-биотехнологи уверены, что в будущем рекомбинантные препараты, получаемые из генетически модифицированных растений, заменят дорогостоящие бактериальные и животные аналоги на фармацевтическом рынке. "Съедобные вакцины" позволят значительно усовершенствовать программы всеобщей иммунизации, особенно для населения развивающихся стран.

studfiles.net

Смотрите также

• 
  Стручочек примеры растений
• 
  Растение натуральная мочалка
• 
  Растение каркаде выращивание
• 
  Растение индиго фото
• 
  Растение воронец фото
• 
  Проблемы иммунитета растений
• 
  Натуральная мочалка растение
• 
  Мочалка натуральная растение
• 
  Лагаросифон аквариумное растение
• 
  Кофейный каштан растение
• Короткодневные растения примеры