|
Современная генетикаgrame de protein?. 300 kg de celule de drojdii timp de o zi dau un spor de 25-30 mii kg de mas? biologic?, care con?ine II-13 mii kg ^ protein? digerabil?. A?a dar, drojdiile acumuleaz? proteina de 100 mii de ori mai repede decвt organismul unui taur! Iar bacteriile acumuleaz? masa biologic? ?i proteina оnc? mai repede decвt drojdiile. Dup? componen?a lor chimic? ?i structural? aminoacizii bacteriilor, drojdiilor, plantelor superioare ?i animalelor sunt absolut identice. De aceea insuficien?a de lizin?, bun?oar? din furajul animalelor sau din hrana omului, poate fi compensat? cu lizina bacteriilor sau drojdiilor. , ?tiin?a contemporan? a pus оn fa?a industriei de producere a celulelor vii, a microbiologiei industriale, care оn strвns? alian?? cu industria biochimic? ?i ingineria genic? formeaz? esen?a noii orient?ri, numit? biotehnologie - sarcini complicate, de mare r?spundere. S? examin?m acum оn mod separat unele aspecte ale biotehnologiei. 11.2 Ingineria genic? оn natur?: transforma?ia, transduc?ia ?i conjugarea la bacterii Pentru a оn?elege de ce microbii au ocupat un loc atвt de important оn ingineria genic?, trebuie s? ne familiariz?m m?car оn mod sumar cu metodele uimitoare ale schimbului de informa?ie genetic?, ce le ofer? natura. Celula bacterian? se оnmul?e?te prin diviziune simpl?, dup? care dintr-o celul? se formeaz? dou?, ?i fiecare din ele con?ine cвte un analog propriu al nucleului - nucleoidul cu ADN. De aceea celula matern?, оnainte de a se diviza, trebuie s? aib? dou? genome absolut identice, cu alte cuvinte, dou? molecule de ADN pentru a transmite una din ele celulei-fiice, iar pe cealalt? pentru a o p?stra pentru ea. Оnainte de diviziune celula matern? оncepe s? sintetizeze o copie exact? a ADN-ului s?u. Deoarece procesul оnmul?irii se produce f?r? participarea organismului masculin, celula-fiic? poate mo?teni numai genele mamei - supersolitare. Ambele celule noi vor avea garnitura de gene absolut identice. Va fi bine dac? a?a va continua din genera?ie оn genera?ie? Din cauza lipsei unor combina?ii ereditare noi selec?ia natural? ar fi r?mas «?omer?», ?i evolu?ia n-ar fi avut nici o ?ans? de reu?it?. Pentru a оnfrunta aceste piedici, natura a inventat multe metode, uneori uimitor de simple, alteori cu adev?rat fantastice. Оn primul rвnd, trebuie s? ne oprim asupra muta?iilor, adic? a modific?rilor оn gene, mo?tenite de celulele-fiice. Despre ele am mai pomenit. Dar probabilitatea muta?iilor este foarte mic?. Afar? de aceasta, majoritatea lor covвr?itoare poate provoca apari?ia unor caractere ?i оnsu?iri inutile sau d?un?toare, descenden?a purt?toare de aceste muta?ii va fi rebutat? pe parcursul selec?iei naturale. Tocmai aici va apare o alt? descoperire - recombinarea - un mijloc de schimb de informa?ie genetic? оn lumea fiin?elor invizibile. Ca exemplu al acestui fapt serve?te capacitatea uimitoare a bacteriilor de a absorbi din mediul ambiant gene str?ine ?i de a degaja gene proprii. Acest fenomen se nume?te transformare. Despre el am men?ionat оn leg?tur? cu studierea naturii factorului care оl provoac?. Transformarea este larg r?spвndit? printre procario?i оn condi?ii naturale. Ea se produce ?i оn celulele animalelor. Cum se produce ea оn cazul transform?rii schimbului de material genetic? Оn ciclul de dezvoltare a bacteriilor apare periodic o stare specific?, cвnd peretele celulei devine penetrabil pentru ADN. Celula care se afl? оn aceast? stare se nume?te celul? competent?, ea poate absorbi din mediul ambiant o mare cantitate de ADN str?in. Оn acest scop la оnceput ea secret? o protein? special?, care se fixeaz? de acest ADN, dup? care ADN-ul str?in este absorbit de celul? asemeni unei frвnghii, care este tras? de un cap?t al ei. Ce se оntвmpl? cu ADN-ul absorbit? Aproape jum?tate din el se scindeaz?, iar partea r?mas? este utilizat? ca surs? pentru noua informa?ie genetic?. La оnceput sistemele fermentative ale celulei desfac spirala dubl? a ADN- ului, apoi o descheie ca pe un fermoar ?i taie оn fragmente filamentele de transmisie ob?inute. Dup? aceasta pe fiecare fragment care con?ine o gen? «str?in?» se construie?te ca pe o matri?? a doua caten? ?i sectorul spiralei duble construit astfel se оncorporeaz? оn ADN-ul propriu al celulei (fig. 24). La bacterii, spre deosebire de eucario?i, schimbul de blocurile gata de ADN este posibil nu numai оntre organismele de aceea?i specie, dar ?i оntre cele de diferite specii, genuri ?i chiar familii, ceea ce conduce la modific?ri оn salturi a propriet??ilor ereditare. Cercetarea multilateral? a procesului natural de transformare la bacterii a deschis calea spre dirijarea eredit??ii microorganismelor, spre ingineria genetic? ?i biotehnologia modern?. Transformarea determin? schimbul direct, nemijlocit de blocuri de ADN оntre bacterii. Dar, dup? cum s-a constatat, natura mai are alte metode de transmitere a genelor de la o bacterie la alta. Deseori transportori de gene aparte sau de grupe de gene sunt virusurile bacteriilor - bacteriofagii. Nu fagii agresivi (virulen?i) care, p?trunzвnd оn celul? ?i оnmul?indu-se rapid, o devoreaz?, o distrug, o dizolv? ?i, dup? ce ies din ea, se n?pustesc asupra celorlalte celule. Ace?tia sunt fagi pa?nici, a?a-zi?ii fagi modera?i. Dup? ce au p?trunse оn celul?, ADN-ul ?i ARN-ul lor se insereaz? оn cromozomul bacteriei-gazde ?i se transform? оn profag. Fagul inserat оn genomul bacteriei (sau care i s-a aliniat) se оnmul?e?te оmpreun? cu el, se transmite celulelor-fiice ?i se r?spвnde?te оn felul acesta оn popula?ie. El nu-?i pierde оns? «esen?a sa de lup». Dac? aceste celule nimeresc оn condi?ii nefavorabile, fagul о?i leap?d? «blana de oaie» ?i distruge celula ce l-a ad?postit. Separвndu-se de genomul celulei, fagul ia cu dвnsul o parte din genele acestuia. Fagul moderat, molipsind o alt? celul? ?i inserвndu-se оn ADN-ul ei, aduce aici atвt genele sale, cвt ?i pe cele «furate» de la fosta gazd?, modificвnd ereditatea celulei noi. Acest proces se nume?te transduc?ie (fig. 25). Cunoscutul geneticiian S. Alihanean a men?ionat c? genele donorului transdus (adic? transportate de fag) joac? rolul de «pasageri», iar fagul - de «birjar». Lipsa la bacterii a оnmul?irii sexuale, caracteristice pentru eucario?i, p?rea c? trebuie s? complice recombinarea genelor ?i a genomilor, prin urmare ?i evolu?ia lor. Dar descoperirea la bacterii a factorilor acromozomici - a plazmidelor, a introdus оn aceste no?iuni rectific?ri serioase. Savan?ii au constatat c? plazmidele sunt independente de ADN-ul celulei ?i se pot оnmul?i independent, pot produce propriile copii. Plazmidele poart? gene care atribuie bacteriilor unul sau cвteva caractere, de exemplu rezisten?? fa?? de preparatele medicamentoase, capacitatea de a sintetiza substan?e active biologice ?. a. Plazmida poate, ca ?i fagul, s? se insereze оn cromozomul bacteriei ?i s? se separe de el. Asemenea fagului ea las? uneori оn cromozom una sau cвteva gene proprii ?i la plecare duce cu ea gene ale gazdei. Оn aceste cazuri propriet??ile ereditare atвt ale celulei, cвt ?i ale plazmidei se pot modifica оn mod sim?itor. S-a stabilit c? un tip aparte de plazmide, numite plazmide F (prima liter? a cuvвntului englez «fertilitate»), reconstituie la bacterii un proces asem?n?tor celui sexual. Bacteria purt?toare a plazmidei F ob?ine оnsu?iri ale donatorului - ale organismului masculin. Pe suprafa?a acestei celule se formeaz? vilozit??i fine. Cвnd se оntвlne?te cu bacteria feminin? care nu con?ine plazmida F (ea e numit? recipient), bacteria masculin? «se c?s?tore?te» cu ea, se conjug?, unindu-se cu ajutorul vilozit??ilor tubulare. Pe aceast? punte prin canalul de vilozit??i acoperit se transmite plazmida F ?i celelalte plazmide din celula donatorului оn celula feminin?. Dac? plazmida F s-a оncorporat оn componen?a cromozomului celulei, lucr?rile se vor desf??ura altfel. Plazmida provoac? ruptura uneia din cele dou? catene de ADN ale donatorului, dup? care cap?tul liber al filamentului cu o singur? caten? se transmite prin canalul vilozit??ii bacteriei feminine, unde pe acest filament se sintetizeaz? оndat? catena lui complimentar?. Plazmida F parc? оmpinge din spate segmentul ADN al donatorului spre celula feminin?. Astfel cu ajutorul plazmidei F cromozomul donatorului sau o parte a lui se transmite celulei recipientului. Ultima cap?t? caractere noi, care nu-i sunt proprii dar care sunt caracteristice pentru donator. Astfel se produce amestecul caracterelor ereditare a dou? celeule diferite. Nu este oare acesta un adev?rat proces sexual? (fig. 26) Plazmida F, dup? ce a p?truns оn celul?, produce curвnd descenden?a sa. Celula feminin?, devenind st?pвn? a acestei plazmide, ce transform? imediat оn donator ?i, venind оn contact cu alte celule feminine, le transmite factorul F ?i celorlalte plazmide, de exemplu plazmida R. Plazmida R (R-prima liter? a cuvвntului «rezistent») transmite bacteriilor imunitatea pentru antibiotice ?i pentru preparate medicamentoase. R?spвndirea fulger?toare a acestor plazmide prezint? un mare pericol, c?ci chiar cele mai eficiente mijloace de combatere a bolii infec?ioase devin inactive. Оn asemenea cazuri trebuie schimbat de urgen?? medicamentul. Interesant este c? оn condi?ii naturale plazmidele R se оntвlnesc mai des la bacteriile patogene, contra c?rora medicii duc o lupt? permanent?. Prin urmare, utilizarea larg? a antibioticelor contribuie la selectarea unor bacterii, ce con?in plazmida R, rezistente la aceste antibiiotice. Bacteriile manifest? caractere de mare valoare оn lupta pentru existen?? оn condi?ii extremale. Oare nu este aceasta o adev?rat? inginerie genic?, care are loc оn natur?? Toate aceste unelte ?i subterfugii fine, elaborate de lumea microbilor pe parcursul luptei crвncene pentru existen??, trebuie оnsu?ite pentru a-i sili pe muncitorii microlumii s? ac?ioneze spre binele omenirii. 11.3 Ameliorarea microorganismelor Separarea din natur? a unor noi tulpini de microorganisme prezint? doar prima etap? a muncii de selec?ionare. Sarcina ulterioar? const? оn ridicarea gradului de calificare a acestor microbi. Savan?ii caut? s? оn?eleag? nu numai tehnologia proceselor de sintez? ?i de metabolism din celulele microbiene, dar ?i s? descopere posibilit??ile de ameliorare, de perfec?ionare, de modificare a eredit??ii cu ajutorul acestei tehnologii. Оn prezent industria microbiologic? utilizeaz? mii de tulpini ale multor sute de specii. Ele au fost izolate de sursele naturale ?i ameliorate prin intermediul mutagenezei induse ?i selec?iei ulterioare a caracterelor utile. Pentru antrenarea poten?ialului genetic al unui num?r tot mai mare de microorganisme, la construirea tulpinilor industriale sunt utilizate atвt microorganismele «de model», cвt ?i tulpinile folosite оn industria microbiologic?. Оn calitate de model de baz? se utilizeaz? cunoscutul bacil coli, mul?umit? c?ruia biologia molecular? modern? a atins ni?te culmi nemaiv?zute; de el ?in ?i primele succese importante оn domeniul biotehnologiei ?i ingineriei genice. Exist? tulpini de bacili coli produc?tori de hormoni (somatostatin?, somatotropin?, insulin? ?. a.), de aminoacizi (treonin?, prolin?, homoserin? ?. a.), de diferi?i interferoni ?. a. Printre tulpinile utilizate оn industria microbiologic? men?ion?m оn primul rвnd drojdiile, bacilii, ciupercile inferioare, actinomicetele ?. a. Ele toate produc substan?e variate de mare valoare biologic?. Men?ion?m c? оn prezent 70% din antibiotice se produc numai cu ajutorul actinomicetelor. Este cea mai mare subramur? a industriei microbiologice mondiale, care aduce un venit anual de 8-9 miliarde de dolari. Bacteriile de genul pseudomonas con?in plazmide purt?toare ale genelor degrad?rii biologice a compu?ilor organici, inclusiv a acelora care nu se оntвlnesc оn natur? (de exemplu, pesticidele), fapt ce deschide mari perspective оn utilizarea lor pentru protec?ia mediului ambiant. Selectarea tulpinilor de microorganisme cu оnalt? productivitate a ob?inut оn unele decenii mari succese pe baza realiz?rilor multor ?tiin?e. Geneticiienii ?i selec?ionatorii, utilizвnd pentru provocarea muta?iilor mutagenele chimice ?i radia?iile ionizate, au ob?inut noi tulpini care оntrec ca productivitate de 100 ?i chiar de mai multe ori formele ini?iale. Dac? penicilina a devenit оn prezent accesibil? fiec?ruia, aceasta se explic?, оn primul rвnd, prin faptul c? selec?ionatorii au crescut o cultur? de microorganisme cu o capacitate de 20-25 mii de unit??i la un mililitru cub de mediu, оn loc de 100 de unit??i, ob?inute la tulpinile ini?iale. Conform opiniei lui S. Alihanean, aceasta оnseamn? c? оn loc de 200 de fabrici de penicilin? este destul s? avem doar una singur?. Prin metoda conjug?rii la pseudomonade a fost realizat? cu succes transferarea genelor ?i construit? o tulpin? ce are drept surs? de carbon unul din cei doi componen?i ai «substan?ei de oranj» - un defoliant toxic pentru oameni, folosit pe larg de SUA оn r?zboiul din Vietnam. Aducem оnc? un exemplu despre geneticiienii ?i selec?ionatorii care оn colaborare cu inginerii genici «domesticesc» microbii ?i creaz? pentru industrie noi tulpini cu caractere proiectate. Este vorba despre crearea de c?tre savan?ii Institutului de cercet?ri ?tiin?ifice оn domeniul geneticiii ?i selec?iei microorganismelor industriale (IUC?) a unei tulpini noi de bacterii produc?toare de treonin?. Treonina, la fel ca ?i lizina, este necesar? pentru оmbog??irea nutre?urilor ?i produselor alimentare. Aminoacizii lizina, metionina, treonina ?i izoleucina, оn ordinea оn care sunt prezentate aici, sunt sintetizate de bacterii din acid asparagic. Aici se respect? ordinea urm?toare: ca s? oprim sinteza, de exemplu, la etapa de lizin?, trebuie s? оnchidem drumul pentru transform?rile continue ale acidului asparagic оn metionin?, treonin? ?i izoleucin?. ?i atunci оn bacterie оncepe suprasinteza, adic? producerea accelerat? a lizinei. Iar dac? este nevoie de reducerea intens? a treoninei, trebuie blocat? transformarea ei continu? оn izoleucin?. Speciali?tii IUC? оn domeniul geneticiii microorganismelor, оn frunte cu directorul s?u V. Debabov, au ales pentru efectuarea cercet?rilor lor colibacilul de care ?in multe din succesele ob?inute оn ingineria genetic?. Sectorul ADN al acestei bacterii, responsabil pentru sinteza treoninei (acest sector poart? numele de operon), este compus din trei gene ?i din regiunea reglatoare care le dirijeaz?. Acest operon codific? formarea a patru fermen?i care transform? succesiv acidul asparagic оn treonin?, iar apoi оn izoleucin?. Cu pre?ul unor mari eforturi savan?ii au reu?it s? provoace muta?ii ale genelor operonului, datorit? c?rora celulele mutante au оncetat a sintetiza izoleucina, acumulвnd astfel mai mult? treonin?. Dar ?i aceste celule sintetizau foarte pu?in? treonin?. Atunci оn ele a fost inserat cu ajutorul fagului o gen? special?, al c?rei produs activiza, la rвndul s?u, munca genelor responsabile pentru sintetizarea treoninei. Dup? efectuarea acestei opera?ii celulele colibacilului au оnceput s? elaboreze cвte 2-3 grame de treonin? la un litru de lichid cultural. Оnceputul promitea multe, cu toate c? pentru a fi bun? pentru produc?ia industrial? tulpina trebuia s? produc? cel pu?in de 10--15 ori mai mult aminoacid de acest fel. Ce se putea face? ?i aici speciali?tii ?i-au concentrat aten?ia asupra uneia din particularit??ile foarte importante ale plazmidelor, care, p?trunzвnd оn bacterie, оncepe s? se reproduc? repede ?i formeaz?, de obicei, 15-20 de copii. Dac? оns? оn mediul cultural se introduce ?i cloramfenicolul, оn celul? se opre?te sintetizarea proteinei ?i spore?te brusc num?rul de copii ale plazmidei. Uneori ele ating cifra de 3000. Tocmai acest fapt le-a sugerat savan?ilor cum s? procedeze оn acest caz. Ini?ial, cu ajutorul fermen?ilor respectivi, ei au t?iat din cromozomul tulpinii de bacterie ob?inute оnainte un fragment de ADN, care con?inea un operon de tulpin? cu toate cele trei gene ale sale ?i cu sectorul de reglare. Dup? aceasta, оn laboratorul de inginerie genic?, operonul a fost inserat оntr-o plazmid?, iar ea - оntr-o alt? bacterie de aceea?i tulpin?. Plazmida hibrid? s-a оnmul?it acolo ?i a intensificat sinteza treoninei. Оn 48 de ore de fermentare aceast? nou? tulpin? sintetiza aproape 20 grame de treonin? la un litru de lichid cultural, iar cвnd au fost ameliorate condi?iile de cultivare a tulpinii, оn 30 de ore au оnceput s? se acumuleze aproape 30 de grame de treonin?. Astfel a fost creat? pentru оntвia oar? оn lume o tulpin? industrial? de microorganisme, care sintetizeaz? treonina, unul din aminoacizii cei mai importan?i pentru cre?terea animalelor. Pentru оntвia oar? оn lume aceast? tulpin? a fost ob?inut? printr-o metod? de construire a ingineriei genice numai оn trei ani; separarea unor noi tulpini prin metodele tradi?ionale de selectare dura zeci de ani. 11.4 Industria ADN ?i biotehnologia Pe parcursul ultimilor ani ia na?tere o nou? ramur?, absolut nou?, de produc?ie material? - biotehnologia, care utilizeaz? procesele ?i sistemele biologice pentru a ob?ine cele mai diverse produse. Oamenii au оnsu?it unele metode biotehnologice оnc? din timpurile str?vechi. ?i procesele de fermenta?ie care permit ob?inerea produselor acidolactice, pвinii, o?etului ?. a. fac parte din domeniul biotehnologiei. Оn ultimele dou?-trei decenii, datorit? schimb?rilor radicale ce s-au produs оn ?tiin?a biologic?, s-a ridicat la un nivel calitativ nou ?i biotehnologia. Datorit? acestor realiz?ri omul poate azi nu numai s? foloseasc? microorganismele «gata», dar ?i s? modifice programul genetic al celulelor lor, s? le imprime caractere cu totul noi: tocmai оn aceasta din urm? const? sarcina ingineriei genetice moderne. Datorit? dezvolt?rii biologiei moleculare ?i ingineriei genice, biotehnologia a devenit o metod? universal? de ob?inere оn orice propor?ii a celor mai diverse substan?e organice, permi?вndu-ne s? renun??m la procesele tehnologiei chimice care-s voluminoase ?i deseori pu?in eficace. Savan?ii ?i-au concentrat aten?ia оn primul rвnd asupra problemelor de sintez? a hormonilor, care, al?turi de vitamine, servesc drept reglori de mare importan?? ai metabolizmului ?i ai multor procese fiziologice din organismul omului ?i animalelor. Moleculele hormonilor au dimensiuni mici. Structura multor dintre ele a fost studiat? detaliat, dar sinteza lor chimic? s-a dovedit a fi prea dificil? ?i scump?. Deaceea savan?ii au ales оn acest scop o alt? cale: sintetizarea prin metod? chimic? nu a proteinei-hormon, ci a unei gene incomparabil mai simple care codific? sintetizarea hormonului necesar. Dar pentru aceasta gena trebuie inserat? оn componen?a moleculei recombinante de ADN ?i, sub comanda ei, s? se organizeze оn bacterie sinteza biologic? a unui hormon uman de valoare complect?. Pentru prima dat? a fost creat? prin metoda aceasta tulpina bacteriilor - produc?toare de somatostatin?. Acest hormon este produs de lobul anterior al hipofizei ?i regleaz? secre?ia unei serii de al?i hormoni, inclusiv a hormonului cre?terii, insulinei ?i glicogenului. Somatostatina utilizat? оn practica medical? se ob?ine din hipofiza vitelor cornute mari. Оns? din punct de vedere chimic ea se deosebe?te оntrucвtva de hormonul amului ?i de aceea nu d? оntotdeauna rezultatul dorit. Molecula somatostatinei este compus? din 14 aminoacizi. Un grup de experimentatori de la Universitatea din California (SUA), оn frunte cu G. Boyer, au sintetizat o gen? оn care a fost codificat? formarea somatostatinei. Apoi cu ajutorul plazmidei savan?ii au inserat aceast? gen? оntr-un colibacil. Оntr-un timp scurt bacteria a sintetizat un volum mic de lichid cultural ce con?inea o cantitate de hormoni care, de obicei, se extrage din hipofiza a sute de mii de tauri. Somatostatina a g?sit de acum o larg? aplicare la tratamentul bolilor pancreasului (pancreatitelor ?i diabetului), precum ?i a acromegaliei - cre?terea ne propor?ional? a p?r?ilor proeminente ale corpului. Aceasta a fost o mare victorie a ingineriei genice. Astfel a devenit real? posibilitatea de a se ob?ine gene artificiale pentru ceilal?i hormoni ?i de a deschide perspective ademenitoare pentru producerea celor mai diferite proteine, precum ?i a altor produse. Aceste produse pot fi ob?inute оn cantit??i nelimitate, ele vor fi ieftine ?i, ceea ce este ?i mai important, ac?iunea lor nu se va deosebi de cea a hormonilor omului ?i a altor compu?i biologici activi. Оn lobul anterior al hipofizei omului ?i animalelor se sintetizeaz? оn afar? de somatostatin? un оntreg buchet de hormoni de natur? proteic?, printre care cel mai cunoscut este hormonul cre?terii sau somatotropina. Dac? organismul оn cre?tere duce lipsa lui, apare nanismul, iar dac? оl con?ine оn cantit??i prea mari, apare gigantismul. Despre participarea acestui hormon la reglarea cre?terii s-a aflat оnc? la оnceputul secolului XX. Оn anul 1921 cu ajutorul extractului hipofizei au fost crescu?i ni?te ?obolani gigan?i. Hormonul cre?terii se con?ine оn hipofizele animalelor cornute mari ?i s- ar putea extrage оn cantit??i necesare. Dar s-a constatat c? somatotropina este un hormon specific pentru fiecare specie: оn organismul uman somatotropina animalelor cornute mari nu este activ?. Omul are nevoie de Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, сочинения, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, рефераты на тему, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое. |
||
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна. |