Биотехнологияның негізгі бағыттары
Биотехнология, оның объектілері және негізгі бағыттары. Биотехнология — тірі организмдердің, өсірілетін жасушалардың және биологиялық процестердің көмегімен түрлі өнімдерді өндіруге байланысты ғылым және практикалық қызмет саласы.
«Биотехнология» термині биологиялық процестерге (нан пісіру, шарап жасау, қышқыл сүт өнімдерін алу, теріні өңдеу және т.б.) негізделген өндірістің көптеген технологиялары бұрыннан бері кеңінен таралған.
XX ғ.биотехнологияның дамуы үшін генетика, микробиология және биохимия теориялық негізін қамтамасыз етті. Микробиологиялық өнеркәсіп тәжірибелік база болды, оның қарқынды дамуы антибиотиктер өндірісін ашумен және бастаумен байланысты. Биотехнологияның әдістері мен жетістіктері тамақ, химия, фармацевтика өнеркәсібінде, медицинада, энергетикада, селекцияда, ауыл шаруашылығында, қоршаған ортаны қорғау саласында және т. б. қолданылады.
Биотехнология объектілері вирустар, бактериялар, протисталар, саңырауқұлақтар, өсімдіктер, жануарлар, сондай-ақ оқшауланған жасушалар мен органоидтар болып табылады.
Биотехнологияның негізгі бағыттары:
* микроорганизмдер және өсірілетін эукариотикалық жасушалардың көмегімен биологиялық белсенді қосылыстар мен дәрілік препараттарды (ферменттер, витаминдер, гормондар, антибиотиктер, иммуноглобулиндер және т. б.) өндіру);
* жануарлар үшін Азық және азық өндіру;
* микроорганизмдердің жаңа пайдалы штаммдарын, өсімдіктер сорттарын және жануарлар тұқымдарын жасау;
* өсімдіктерді зиянкестер мен аурулардан қорғаудың биологиялық әдістерін әзірлеу және пайдалану;
* қоршаған ортаны қорғаудың биотехнологиялық әдістерін құру және пайдалану және т. б •
Қазіргі биотехнологияның негізі Биохимия әдістерінің кең жиынтығымен бірге генетикалық және жасушалық инженерия болып табылады.
Жасушалық инженерия-бұл өсімдіктер, жануарлар және микроорганизмдер жасушаларының арнайы жағдайында өсіру, олармен әртүрлі манипуляцияларды қоса (жасушаларды біріктіру, органоидтарды жою немесе қайта отырғызу және т.б.).
Өсімдіктердің жасушалық инженериясы ең табысты дамып келеді. Генетика әдістерін пайдалана отырып, ғалымдар бағалы заттарды өндіретін жасушалар желісін құрады. Мұндай жасушалар қажетті өнімнің көп мөлшерін синтездей отырып, қарапайым қоректік ортада өсе алады. Оларды өсіру бірқатар биологиялық белсенді заттарды алу үшін өнеркәсіптік ауқымда пайдаланылады. Мысалы, медициналық және парфюмерлік өнеркәсіп қажеттіліктері үшін женьшень биомассасын өндіру жолға қойылған.
Жасушалық инженерияның басқа маңызды бағыты-маталар өсіндісі негізінде Өсімдіктердің көбеюі (сурет. 121). Бұл регенерация нәтижесінде жеке жасушалардан өсімдік жасушаларының біртұтас өсімдікті қалыптастыру қабілетінің арқасында мүмкін болды. Өсімдік ұлпаларының мәдениетін баяу өсіп келе жатқан өсімдіктердің тез көбеюі үшін пайдалану тиімді — майлы пальма, шабдалы және т.б. сонымен, кәдімгі өсіру кезінде таңқурай бұта жылына 50-ден артық емес еншілес өсімдіктерді бере алады, ал ұлпалар мәдениетінің көмегімен оларды 50-ден астам ООО алуға болады.
Клеткалық инженерия әдістері дәнді дақылдардың жаңа сорттарын және басқа да маңызды ауыл шаруашылығы дақылдарын шығару кезінде селекциялық процесті айтарлықтай жеделдетуге мүмкіндік береді. Оларды алу мерзімі селекцияның әдеттегі әдістерін пайдалану кезінде қажетті 10-12 орнына 3-4 жылға дейін қысқартылады.
Ауыл шаруашылығы дақылдарының жаңа сорттарын шығарудың перспективалы тәсілі соматикалық гибридизация сияқты клеткалық инженерия әдісін қолдану болып табылады.
Соматикалық гибридизация-бұл әртүрлі түрлерге жататын бір ағзаның соматикалық жасушаларының немесе организмдердің жасушаларының әртүрлі типтерінің бірігуі (күріш. 122). Осы әдістің көмегімен, мысалы, дарақтарды шағылыстыру арқылы алу мүмкін емес гибридтер жасалды-темекі және картоп, сәбіз және ақжелкен, қызанақ, картоп және т. б. гибридтері.
Жасушалық инженерияның маңызды бағыты эмбрионалды дамудың ерте кезеңдеріне байланысты. Зертханалық ұрықтандыруда аналық жасушаларды ұрықтандыру-
ана ағзасынан тыс (ЭКО — экстракорпоралдық ұрықтандыру деп аталатын) виялар адамда бедеуліктің кейбір түрлерін жеңуге мүмкіндік береді.
Ауыл шаруашылығы жануарларында гормондар инъекциясының көмегімен бір жоғары өнімді аналықтан ондаған аналық жасушаларды алуға, оларды тұқымдық еркектің шәуетімен жасанды ұрықтандыруға және басқа аналықтардың аналықтарына имплантациялауға болады. Осылайша, бір құнды данадан жасанды ұрықтандыру арқылы мүмкін болатын ұрпақтан көп есе көп алуға болады.
Генетикалық (гендік) инженерия — тірі организмдердің жасушаларынан гендерді бөлуге, олармен әртүрлі манипуляцияларды жүзеге асыруға (соның ішінде — ДНҚ гибридті молекулаларын жасауға) және оларды басқа организмдерге енгізуге байланысты молекулалық биологияның бөлімі. Генетикалық инженерияның басты құралдары ферменттер мен векторлар болып табылады. Арнайы ферменттер жиынтығының көмегімен ДНҚ және РНҚ молекулаларының белгілі бір учаскелерінде кесуге, олардан қажетті фрагменттерді бөлуге, осы фрагменттерді бір-бірімен көшіруге және тігуге болады.
Әртүрлі организмдердің жасушаларына бөтен гендерді жеткізу үшін векторлар — жасушаларда өздігінен репликациялануға және жасанды салынған гендердің көбеюін (клондау) және жұмысын (экспрессиясын) қамтамасыз етуге қабілетті ДНҚ арнайы молекулалары қолданылады.
Организмдердің бір түрінің гендерін басқасына, шығу тегі бойынша жиі өте алыс гендерге көшіруді жүзеге асыру үшін бірнеше операцияларды орындау қажет (сурет. 123).
1. Донор жасушалардан гендерді (ДНҚ жеке фрагменттерін) бөлу. Кейбір жағдайларда бұл операцияны қажетті гендердің жасанды синтезімен алмастырады.
2. Векторлық құрылым құру (донордан бөлінген ДНҚ фрагментін плаз-мидный векторға арнайы ферменттер көмегімен енгізу). Гендік инженерияда плазмид — прокариотқа тән ДНК-тен тыс сақиналы молекулалар негізінде құрылған векторлар кеңінен қолданылады.
3. Алынған векторлық құрылымды жаңа иесінің жасушасына (Бактерияға) енгізу.
4. Бактериялық жасушаның көптеген бөлінуі барысында ДНҚ фрагментін клондау (енгізілген ДНҚ бар вектордың көшірмелерін арттыру).
Гені гендік-инженерлік операциялар арқылы өзгертілген және басқа ағзаның ең болмағанда бір белсенді жұмыс істейтін генін қамтитын тірі организмдер трансгендік (генетикалық түрлендірілген) деп аталады. Гендерді тасымалдау арқасында трансгендік организмдерде жаңа қасиеттер пайда болады. Мысалы, соматотропин (өсу гормоны) 1980 жылдан бастап ішек таяқшасы бактерияларының трансгендік штаммдарының көмегімен алынады. Бұл балалардағы қарлықты емдеудің жалғыз құралы. Гендік инженерия дамығанға дейін соматотропин қайтыс болған адамдардың гипофиздерінен бөлінді. Бүгінгі күні трансгендік бактериялардың 1 л суспензиясы бірнеше сағат ішінде ондаған адам гипофизінде болатын өсу гормонын шығарады. Гендік-инженерлік соматотропин арзан, көп мөлшерде қол жетімді және вирустарды жұқтыру тұрғысынан қауіпсіз.
1979 жылы әлемде 60 млн-нан астам қант диабетімен ауыратын науқастар болды. Олардың тек 4 млн-ы ғана инсулин алды, ол сиыр мен шошқаның ұйқы бездерінен бөлініп шықты. 1982 жылдан бастап көптеген елдердің кәсіпорындары гендік-инженерлік инсулин шығара бастады. Адам инсулинінің гені бактериялық жасушаларға енгізілді-бактериялар бұрын ешқашан өндірілмеген гормон синтезі басталды.
Бүгінгі күні гендік инженерия әдістері көптеген биологиялық белсенді заттардың — түрлі гормондардың, витаминдердің, интерферонның және т. б. синтезін өнеркәсіптік ауқымда жүзеге асыруға мүмкіндік берді.
Геномда әртүрлі текті бөтен гендер, оның ішінде бактериялардың, ашытқылардың, басқа сүтқоректілердің, адамның гендері жұмыс істейтін трансгендік тышқандар, қояндар, шошқалар, ешкілер алынды. Трансгендік өсімдіктер бар, олардың негізінде дәстүрлі селекция әдістерін алу мүмкін емес, ауыл шаруашылығы дақылдарының сорттары немесе нысандары жасалған.
Трансгендік жануарларды алу. Трансгендік жануарларды алудың негізгі әдістерінің бірі ұрықтандырылған аналық жасушаларға ДНҚ инъекциялау М икр болып табылады (сурет. 124). Барлығы қажетті геннің бірнеше көшірмесі бар ДНҚ фрагментін енгізуден басталады, аналық жасушаны ұрықтаған сперматозоид ядросына. Ядролардың бірігуінен кейін модифицирленген зиготалар аналық-реципиент аналығына ауыстырылады. Біраз уақыттан кейін ол трансгендік бөлшектерді шығарады.
Бұл әдіс 1982 ж.бастап қазіргі уақытқа дейін трансгендік жануарларды алумен айналысатын зерттеушілерде, оның жоғары біліктілікті және қымбат құрал-жабдықтарды талап ететініне қарамастан, ең танымал болып қала береді.
Соңғы жылдары трансгендік жануарларды жасау үшін Э м-брионалды дің жасушалары да пайдаланылады. Бұл жасушалар көп жасушалы ағза жасушаларының кез келген басқа түрлеріне саралануы мүмкін. Эмбриональды дің жасушаларын ағзадан тыс ұзақ уақыт бойы өсіруге және оларға векторлардың көмегімен белгілі бір гендерді енгізуге болады. Осыдан кейін бөтен текті гендері бар жасушалар басқа эмбриондарға трансгендік жануарларды алу үшін енгізеді.
1. Биотехнология дегеніміз не? Адам қызметінің қандай салаларында Биотехнологиялық процестер қолданылады?
2. Биотехнологияның негізгі бағыттары қандай?
3. Жасушалық инженерия дегеніміз не? Сізге жасушалық инженерияның қандай әдістері белгілі? Оларды қолдану кезінде қандай нәтижелер алынды?
4. Генетикалық инженерия дегеніміз не? Генетикалық инженерияның негізгі құралдарын атаңыз.
5. Қандай ағзалар трансген деп аталады? Трансгендік жануарларды алудың қандай әдістерін атай аласыз?