Тема: Застосування методів генної та клітинної інженерії в сучасній селекції�

Клітинна інженерія�

Клітинна інженерія – це галузь біотехнології, у якій застосовують методи виділення клітин з організму і перенесення їх на поживні середовища, де вони продовжують жити та розмножуватися.

​

Основними методами клітинної інженерії є:

• метод гібридизації соматичних клітин –поєднання соматичних клітин різних тканин або організмів для отримання нових комбінацій ознак;
• метод культури клітин (тканин) – виділення соматичних клітин з організму, перенесення їх на поживні середовища;
• метод клонування – отримання культур (клонів), що складаються з генетично однорідних клітин (клонування ДНК, генів, клітин, організмів). 

Одним із напрямів клітинної інженерії є клонування тварин і рослин.

​

Клонування рослин, дозволяє дуже швидко розмножувати найбільш цінні особини рослин, які характеризуються високою врожайністю, підвищеною стійкістю до захворювань або іншими якостями. Клонування застосовують для розмноження унікальних декоративних форм рослин.

Стовбурові клітини можуть дати початок будь-якій тканині тіла, крім плаценти. Тільки клітини морули є тотипотентними; вони можуть дати початок усім тканинам тіла, у тому числі і плаценті.

Стовбурові клітини мають дві важливі риси, які відрізняють їх від інших типів клітин.

• По-перше, вони є неспеціалізованими клітинами, і самі себе поновлюють протягом тривалого часу шляхом клітинного поділу.
• По-друге, при певних фізіологічних чи експериментальних Стовбурові клітини умовах, вони можуть перетворюватися в спеціалізовані клітини, такі як скоротливі клітини серцевого м’язу, чи клітини підшлункової залози, які продукують інсулін.

Стовбурові клітини є важливими для живих організмів з багатьох причин. У 3-5 денного ембріона, який називається бластоциста, зі стовбурових клітин розвиваються різні спеціалізовані типи клітин, з яких потім формуються серце, легені, шкіра та інші тканини. В деяких тканинах дорослого організму, наприклад в кістковому мозку, м’язах та головному мозку ізольована популяція дорослих стовбурових клітин створює нові клітини, які замінюють спрацьовані, чи втрачені через пошкодження чи травму клітини.

Стовбурові клітини є неспеціалізованими. Однією з основних властивостей стовбурових клітин є те, що вони не мають жодних специфічних структур, які давали би можливість виконувати специфічні функції. Стовбурові клітини не можуть працювати разом зі своїми сусідами щоб перекачувати кров по судинах тіла (як клітини серцевого м’язу), вони не можуть переносити молекули кисню по кров’яному руслі (як червоні кров’яні тільця - еритроцити); і вони не можуть передавати електрохімічні сигнали до інших клітин, що дає можливість тілу рухатися чи розмовляти (як нервові клітини).

Проте неспеціалізовані стовбурові клітини можуть перетворюватися в спеціалізовані, включаючи клітини серцевого м’язу, клітини крові та нервові клітини.

Стовбурові клітини можуть ділитися та відновлювати себе протягом тривалого періоду. На відміну від м’язових клітин, клітин крові чи нервових клітин - як в нормі не можуть розмножуватися – стовбурові клітини можуть відтворювати себе багато разів.

Стовбурові клітини дають початок спеціалізованим клітинам. Коли неспеціалізовані стовбурові клітини перетворюються в спеціалізовані, цей процес називається диференціацєю. Науковці тепер починають розуміти сигнали всередині та ззовні клітин, які запускають диференціацію стовбурових клітин.

Генна інженерія – це галузь молекулярної біології, яка розробляє методи перебудови геномів організмів вилученням або введенням генів чи їхніх груп. 

Генна інженерія є біотехнологічним прийомом спрямованого конструювання рекомбінантних молекул ДНК на основі ДНК, взятої з різних джерел. Генна інженерія ґрунтується на молекулярній біології, яка дає можливість вносити зміни в молекулярну взаємодію основних біологічних молекул у клітині та поза нею.

Поняття "генетична" та "генна" інженерія часто вживаються як синоніми, хоч перший із них є ширшим і передбачає способи маніпуляцій не тільки з окремими генами, а й з більш значними фрагментами геному, включаючи цілі хромосоми.

Основні методи генетичної інженерії були розроблені у 60-70-х роках XX століття. Вони включають три основні етапи: отримання генетичного матеріалу, копіювання і розмноження генів, перенесення і включення генетичного матеріалу в геном.

І. Отримання генетичного матеріалу

• Метод хімічного синтезу генів поза організмом (отримання невеликих генів на основі розшифрованої послідовності нуклеотидів).
• Метод ферментативного синтезу генів поза організмом (синтез складних генів за допомогою процесу зворотньої транскрипції).
• Метод виділення природних генів з геному організмів (отримання природних генів з метою створення рекомбінативних ДНК – рек ДНК).

ІІ. Копіювання і розмноження генів

• Метод клонування генів (метод виділення та розмноження окремих генів у реципієнтних клітинах).
• Метод молекулярного клонування в складі плазмідних векторів (розмноження молекул ДНК у складі плазмід).
• Метод молекулярного клонування в складі вірусних векторів (розмноження фрагментів ДНК у складі молекул ДНК вірусів та бактеріофагів).

III. Перенесення і включення генетичного матеріалу в геном

• Методи трансформації (для перенесення плазмідних векторів).
• Методи трансдукції (для перенесення вірусних векторів).
• Методи трансфекції(для адресного перенесення і включення молекул ДНК в клітини за допомогою ліпосом).
• Методи перенесення метафазних хромосом.

Способи введення генів у клітини

Успіхи генної інженерії на сучасному етапі

​

• Отримують високопродуктивні штами мікроорганізмів, які синтезують інсулін, інтерферони, гормон росту, ферменти, вітаміни В2, B12 соматостатин, вакцини, антитіла та ін.
• Існують сорти пшениць, стійких до листової іржі, борошнистої роси, які виведені завдяки тому, що деякі хромосоми у вихідних пшениць були замінені хромосомами диких видів пшениці, пирію, жита.
• Створюються банки генів – колекції генів різних організмів, що є необхідним для подальших досліджень і розвитку генетичної інженери.
• Розвивається генотерапія – лікування спадкових, онкологічних, деяких вірусних захворювань шляхом введення генів у клітини пацієнтів з метою спрямованої зміни генних дефектів або надання клітинам нових функцій. В генотерапії виділяють такі види: а) зародкова – введення генів у гамети або клітини зародка; б) соматична – введення генів у соматичні клітини пацієнта; в) позаорганізмова – введення генів у культивовані клітини і пересадка цих клітин пацієнтам.

Генна інженерія виявилася дуже перспективною для медицини передусім у створенні нових методів біотехнології: отримання ліків (інсулін, соматостатин, інтерферони, соматотропін), створення й застосування рекомбінантних вакцин (наприклад, проти гепатиту В і папіломи людини), генетичного тестування (наприклад, для визначення спадкової схильності новонароджених до певних хвороб). Найпоширенішими є методи генотерапії.

Генотерапія – це лікування захворювань шляхом заміни дефектних генів нормальними. Основою генотерапії є методи внесення змін у генетичний апарат клітин пацієнтів з метою спрямованої зміни генних дефектів або надання клітинам нових функцій. Залежно від способу введення ДНК у геном пацієнта генотерапія може відбуватися в культурі клітин (ex vivo) або безпосередньо в організмі (in vivo)

У генотерапії вирізняють такі види, як:

• фетальна генотерапія – чужорідну ДНК вводять у зиготу (ембріон) на ранній стадії розвитку;
• соматична генотерапія – введення генів у соматичні клітини пацієнта;
• позаорганізмова генотерапія – введення генів у культивовані клітини і пересадка цих клітин пацієнтам;
• активація власних генів організму з метою подолання дії мутантного гена.

Регенеративна медицина формується на стику біології, медицини та інженерії. Вважають, що вона може докорінно змінити способи зміцнення здоров'я шляхом відновлення, підтримки і поліпшення функцій органів і тканин.

Онкологія (від грец. онкос - пухлина, логос - вчення) – розділ медицини, предметом якого є діагностика та лікування новоутворень. Сучасні уявлення про молекулярно-біологічні зміни в клітинах докорінно змінили підходи до розв'язування найгостріших проблем онкології.

Важливим підходом до розв'язування проблем сучасної онкології є:

​

• біотерапія раку (використання інтерферону, його індукторів, пробіотиків), що уможливлює підвищення протипухлинного захисту організму, зниження токсичності цитостатиків;
• вакцинотерапія, головною метою якої є формування у хворого довготривалої імунної реакції, що здатна стримувати розвиток пухлинного процесу, попереджати розвиток рецидивів і метастазів;

​

​

• променевій терапії – це терапія, що передбачає можливість формування поля опромінення, що повторює точні розміри і конфігурацію наявного пухлинного процесу, на який і припадає основне навантаження на тлі значного зменшення променевого впливу на навколишні тканини;
• Імунотерапія – це метод лікування, що є максимально фізіологічним для організму людини і дає змогу досягти значного прогресу в лікуванні раку з мінімальною шкодою для здорових клітин організму.

​