Биотехнология - НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Постановка проблемы урока

Лена:Почему люди не используют синтез белков вне клетки? Ведь так просто было бы найти нужную последовательность нуклеотидов, сделать целую бочку копий РНК, а потом синтезировать на них колбасу, молоко, необходимые лекарства... из органических отходов.

Миша:Ну, во-первых, ты забыла, что нужно и ещё кое-что: тРНК, рибосомы, набор аминокислот, энергия в виде АТФ. Во-вторых, это ступенчатый каталитический процесс, каждый этап которого нуждается в совершенно особых условиях, созданных в клетке благодаря компартментализации. В-третьих, проблему можно решить проще...

• О какой проблеме идёт речь? Сформулируйте тему урока и сравните с вариантом авторов на с. 397.

Необходимые базовые знания

• Повторяем термины: ДНК, генетический код, ген (§ 8-9, 15, 26), вирус (§ 17).

• Где вы встречались с аббревиатурой “ГМО”? (жизненный опыт)

• Что вы читали или слышали о клонировании и генной инженерии из СМИ? (жизненный опыт)

Решение проблемы

XXI век - век биотехнологии

• На какие отрасли хозяйства распространились биологические технологии за последнее столетие?

Биотехнология— совокупность промышленных методов получения полезных для человека продуктов (пища, лекарства) с помощью живых организмов. Термин “биотехнология” получил широкое распространение с 70-х годов XX века. Однако использование механизмов биологических процессов в промышленном производстве началось давно. Ещё с незапамятных времён человечество использовало сельскохозяйственные растения и животных для производства пищи, и сырья, микроорганизмы в хлебопечении и виноделии, при производстве пива и в сыроварении. Но ещё 100 лет назад любая ферма мало напоминала промышленное производство: каждый член семьи хозяина фермы и небольшое число наёмных работников выполняли множество самых разнообразных функций, преобладал ручной труд, поэтому производительность труда была невелика.

Позже ситуация стала меняться. Механизация сельского хозяйства потребовала повышения квалификации работников, появление сложных сельскохозяйственных машин было рентабельным только при укрупнении хозяйства. В результате на смену фермам стали приходить фабрики по производству яиц и куриного мяса (птицефабрики), молока, мяса и т.п.

Биотехнология позволяет не только получать важные для человека продукты, например, мясо, антибиотики, этиловый спирт, кисломолочные продукты, но и создавать организмы с заранее заданными свойствами гораздо быстрее, чем с помощью традиционных методов селекции. Существуют биотехнологические процессы по очистке сточных вод, переработке отходов, удалению нефтяных пятен в водоёмах, получению биотоплива.

При сокращении запасов нефти в мире в качестве источника энергии может быть использовано биотопливо, получаемое в результате переработки в топливо семян рапса, кукурузы, сои, стеблей сахарного тростника (рис. 37.1). Сахарный тростник — важнейшее сырьё для производства биоэтанола, который в некоторых странах (Бразилия) является источником энергии (20%) для автомобилей.

37.1. Кукуруза - источник биотоплива

Появляющиеся биологические технологии открывают новые возможности по производству и переработке веществ и продуктов, но одновременно создают невиданные прежде социальные и этические проблемы.

Генная инженерия

• Что такое генная инженерия и как она помогает людям?

Подгенной инженериейпонимается целенаправленный перенос генов из клетки одного организма (донора) в клетку другого организма (реципиента). В результате возникаютгенетически модифицированные организмы (ГМО).Примерами живых существ с чуждыми для данного вида генами являются бактерии, несущие человеческий ген инсулина, карпы с геном роста форели, хлопок с геном бактерии, делающим его устойчивым к хлопковой совке.

С помощью генной инженерии можно улучшать сорта культурных растений и породы домашних животных; создавать новые лекарства, а прежние производить в больших количествах и гораздо дешевле, чем при традиционном фармацевтическом производстве; можно выявлять, предсказывать и лечить в наше время некоторые, а в будущем — многие наследственные болезни.

•В чём преимущество биотоплива по сравнению с продуктами переработки нефти?

Целью использования генной инженерии в селекции растений является повышение их урожайности, содержания витаминов и важных аминокислот, устойчивости к болезням, вредителям и гербицидам, холодо- и засухоустойчивости.

Среди животных наиболее известны генетически модифицированные карпы, набирающие вес со скоростью форели и достигающие очень крупных размеров. Широко используется кормление и лечение домашних животных генетически модифицированными продуктами. В странах Северной Америки используют генную инженерию и для производства гормонов роста домашних животных, но в Европе применение таких гормонов запрещено.

В пищевой промышленности генно-модифицированные организмы используются для производства пищевых добавок и ферментов, в частности для переработки мяса и молока, пивных культур и т.п.

Кроме упоминавшегося инсулина для диабетиков, с помощью генной инженерии получают интерферон, помогающий при многих вирусных инфекциях и некоторых раковых заболеваниях, вакцины против гепатита В и полиомиелита. Наконец, научились вводить ген свёртываемости крови в клетки соединительной ткани больного гемофилией, снимая симптомы болезни (см. § 29, 34). Аналогичным образом лечится и серповидно-клеточная анемия. Достоинство такого рода вакцин ещё и в том, что они не содержат болезнетворного начала и потому не могут спровоцировать заболевание, что изредка случается при обычной вакцинации. В медицине генная инженерия особенно эффективна для ранней диагностики вирусов и возбудителей бактериальных инфекций. Это, в частности, касается возбудителей ВИЧ-инфекции (СПИДа) и гепатита В.

Нерешённые проблемы

• Что мешает использованию генной инженерии, и кто должен найти выход?

Генная инженерия является предметом острых дискуссий в обществе. Некоторые опасаются, что генетически модифицированные организмы могут выйти из-под контроля человека и их новые гены будут перенесены на другие организмы. Например, сорняки приобретут устойчивость к гербицидам, болезням и засухе и превратятся в “суперсорняки”, с которыми будет трудно бороться. Употребление ГМО в пищу скептики считают рискованным.

На самом деле ГМО отличаются от традиционных сортов только методом получения — в итоге и те, и другие содержат мутантную ДНК, которая не может “помнить” причины мутаций. Конечно, ГМО не должны содержать новых генов, влияние продуктов которых на организм человека не изучено, — и это строго контролируется. Напомним, что пища, попавшая нам в желудок, подвергается разрушению до элементов, которые входят в состав всех живых организмов с любым генотипом. Так, гены прокариот и эукариот всасываются в кровь в виде отдельных нуклеотидов, а белки — в виде аминокислот. Однако люди опасаются ГМО настолько, что многие страны приняли законодательное требование к производителям пищевых продуктов: указывать на этикетках, использованы ли ГМО при их изготовлении.

Определять степень риска и необходимые средства защиты должны специалисты-биологи, а обсуждение этических норм и юридических последствий генной инженерии — задача общества.

Клонирование организмов

• Как осуществляется клонирование и какие перспективы использования имеет этот метод?

Создание многочисленных генотипических копий одного индивидуума называютклонированием.Сравнительно просто устроенные организмы, размножающиеся бесполым способом, могут многократно повторять удачные генотипы в потомстве. Однако у позвоночных и других сложно устроенных животных этот процесс естественным путём не происходит. Наука позволяет решить эту проблему.

Удачные образцы растений можно размножать вегетативным способом и таким образом многократно увеличивать их число. Кроме того, клетки растений сохраняют способность к смене специализации в течение жизни, поэтому в подходящих условиях каждая клетка может дать начало целому организму. Впервые опыт клонирования моркови из клетки корнеплода был осуществлён в начале 1960-х.

Клонирование высших животных — значительно более трудная процедура. Впервые такой успешный эксперимент был осуществлён в 1970 году со шпорцевой лягушкой. Ядро яйцеклетки было заменено на ядро из соматической клетки взрослой лягушки. Таким образом, были получены головастики и взрослые лягушки путём клонирования отдельных соматических клеток. Наконец, в 1996 г. в Шотландии методом клонирования из клетки эпителия молочной железы успешно вырастили знаменитую овечку Долли (рис. 37.2).

37.2. Клонирование овцы Долли

Клонирование— перспективный метод селекции домашних животных. На ранних стадиях развития (при дроблении зиготы на 8—16 бластомеров) клетки эмбриона телёнка ещё не специализированы. Их можно разделить, имплантировать нескольким коровам-кормилицам и вырастить из каждой клетки полноценных телят. Таким способом можно создать множество идентичных копий одного выдающегося производителя.

Клонирование клеток и органов

• Чем поможет людям исследование этой проблемы?

Кроме того, можно клонировать отдельные клетки. Создав культуру неспециализированных клеток, содержащих генотип целого животного, их можно размножать в искусственной среде в течение долгого времени. Таким способом можно сохранять ценный генотип гораздо дешевле, чем путём содержания целого животного, например, быка. Наконец, культура клеток позволяет изучить реакцию данного генотипа на воздействие некоторых химических агентов, например, лекарственных препаратов. Это также намного дешевле и быстрее, чем проделывать то же самое на группе животных. Все эти примеры говорят о том, что мы стремительно приближаемся к эпохе клеточной селекции многоклеточных организмов.

Если клонирование тканей животных проходит удачно, то почему бы не использовать его в медицине? Сейчас люди, потерявшие жизненно важный орган в результате несчастного случая или болезни, могут рассчитывать на пересадку органа от другого человека, только что погибшего от травмы. Увы, шансы на то, что иммунная реакция организма не приведёт к отторжению чужих тканей, невелики. Нельзя списывать со счетов и этический аспект: ведь приходится полагаться на трагическую случайность как единственную возможность спасти другую жизнь.

Клонирование клеток пациента открывает новые возможности. Вместе с тем это задача невероятной биологической сложности. Клетки-родоначальники должны быть неспециализированными. Такие клетки — стволовые клетки — найдены теперь не только у эмбрионов. Их дифференциация в ткани нужного органа, однако, требует полного знания того, как управляется развитие в онтогенезе. Существование органа обеспечивается взаимосвязями с целым организмом посредством нервов, кровеносных сосудов и т.д. Помимо этого, искусственный орган должен формироваться в определённом каркасе, чтобы приобрести нужную форму, но тогда его невозможно будет отделить от каркаса для пересадки.

Решение этих вопросов требует усилий всего общества в виде законодательных и финансовых мер, а также организации научных исследований. Учёные, вставшие на этот путь, в 2006 г. совершили первую операцию по пересадке пациенту мочевого пузыря, выращенного из его собственных клеток.

Этические аспекты биотехнологии

• Как вы относитесь к проблеме клонирования человека?

Развитие биотехнологии ставит перед человечеством много серьёзных этических вопросов и вызывает острые дискуссии. О некоторых из них мы уже говорили. Всё это не может не волновать людей. Некоторые считают, что человек не имеет права переделывать живые организмы ради собственного блага. Другие возражают им, мотивируя тем, что существование человечества было бы невозможно без выведения высокопродуктивных сортов растений и пород животных.

Ещё больше вопросов вызывает применение современных технологий к “исправлению” генома человека. Очень важно, чтобы человек имел всю полноту информации о своём здоровье и перспективах вылечивания, чтобы он мог принимать осознанное решение, соглашаясь на лечение или отказываясь от него. Кроме того, важно, чтобы ни одна личность не могла быть подвергнута дискриминации на основе информации об особенностях её генома.

Введение в клетки человека чужеродного генетического материала может иметь отрицательные последствия в результате нарушения работы генов. Особый риск будет в случае внедрения генов в половые клетки, так как при этом можно навредить не только данному человеку, но и всем его потомкам. Вот почему в статье 13 “Конвенции о защите прав и достоинства человека в связи с применением достижений биологии и медицины” (1997 г.) говорится: “Вмешательство в геном человека, направленное на его модификацию, может быть осуществлено лишь в профилактических, диагностических или терапевтических целях и только при условии, что оно не направлено на изменение генома наследников данного человека”. Заметим, что изменить геном всех клеток взрослого человека или уже родившегося ребёнка не представляется возможным.

Однако самым острым на данном этапе развития биотехнологии является спор о возможности клонирования человека. Запрет на клонирование человека введён в подавляющем большинстве стран (в марте 2010 года в России) в первую очередь по этическим соображениям. Становление личности человека зависит далеко не только от его генетической конституции, но и прежде всего от взаимоотношения с его социальным окружением. Поэтому при любом клонировании повторить

личность человека невозможно. Все крупные религиозные конфессии мира осуждают любое вмешательство в процесс воспроизводства человека, настаивая на том, что зачатие и рождение должно происходить естественным путём. Вместе с тем несколько столетий назад высказывались возражения и против лечения человека после рождения.

Запрет на клонирование связан как с этическими, так и с технологическими проблемами. Пока опыты по клонированию организмов не очень результативны (бедная овечка Долли прожила недолго), а на каждый случай успешного клонирования приходится множество неуспешных попыток. Необходимо существенно повысить выживаемость клонированных особей, выяснить, как оно сказывается на здоровье и продолжительности жизни животного. И только после создания безопасных форм клонирования животных наука, может быть, в будущем вернётся к проблеме обсуждения клонирования человека. Сейчас многие страны изменили точку зрения на исследование стволовых клеток человека и клонирование органов. Будем надеяться, что шаг за шагом мы будем находить верные и эффективные решения этих проблем — на пользу человечеству и биосфере.

Обобщение новых знаний

Использование механизмов биологических процессов в промышленном производстве происходило давно, но лишь в 70-х годах XX века сформировалось как биотехнология - совокупность промышленных методов получения полезных для человека продуктов с помощью живых организмов. Её важными направлениями стали генная инженерия и клонирование. Под генной инженерией понимается целенаправленный перенос генов из клетки одного в клетку другого организма. В результате возникают генетически модифицированные организмы (ГМО). Клонирование - создание генетических копий организмов. Использование биотехнологий породило множество этических проблем.

Биотехнология. Генная инженерия. Клонирование.

Генетически модифицированные организмы

Применение знаний

1. Каково значение биотехнологии в жизни человека?

2. Какие отрасли человеческой деятельности пользуются плодами биотехнологии?

3. В чём состоит сходство и различие в выведении новых сортов методами традиционной селекции и генной инженерии?

4. Какие области биотехнологии, на ваш взгляд, безопасны для человечества, а какие представляют опасность? Докажите научную состоятельность ваших опасений.

5. Поработайте в паре: пусть один приводит доводы за проведение опытов по клонированию животных и даже человека, а другой - против. Затем поменяйтесь ролями.