fbpx
Предметы

Рекомбинантные ДНК

  • Какими ножницами ученые разрезают ДНК?
  • Откуда в промышленном производстве препараты из редких растений?
  • Как заставить бактерию производить инсулин?

Технология получения рекомбинантных ДНК

Биотехнология – молодая наука, которая зародилась меньше века назад, поэтому и по сей день каждый год мы слышим о новых открытиях в этой области биологии. Подумать только, люди уже научились выращивать клетки с необходимыми им свойствами в пробирке, печатать органы на 3D-принтере, конструировать нанороботов для ввода лекарств в организм и даже редактировать геном! Сравнив научные достижения клеточной и молекулярной биологии с научно-фантастическими рассказами и фильмами, можно подумать, что мы уже живем в будущем! Об одном из таких важных и удивительных открытий и пойдет речь в этой статье. Как люди меняют геном живых организмов и создают новых рекомбинантных работников на производстве многих лекарственных препаратов?

Итак, рекомбинантные ДНК – это фрагменты ДНК, которые получены путем сшивания нескольких фрагментов, принадлежащих разным организмам, в лабораторных условиях.

Цель создания рекомбинантных ДНК лежит в получении организмов с принципиально новыми для них свойствами. Например, с помощью технологии рекомбинантных ДНК можно заставить бактерию синтезировать инсулин, в котором ежедневно нуждаются люди, болеющие сахарным диабетом. Рассмотрим подробнее этот пример, чтобы разобраться со стадиями получения рекомбинантного организма и использования его на производстве:

Стадия 1. Рестрикция

Чтобы получить новый организм с заведомо заложенными определенными свойствами, первым делом необходимо откуда-то получить гены, кодирующие эти свойства. В данном примере мы хотим создать бактерию с геном производства инсулина, поэтому нужно вырезать ген, отвечающий за синтез этого белка, из клетки животного. Для этого ученые используют особые «молекулярные ножницы» – ферменты рестрикции

Рестриктазы – группа ферментов, способных разрезать ДНК на отдельные гены.

Отлично! Теперь мы получили готовый ген инсулина, который необходимо как-то вставить в бактерию.






Для этого нужно подготовить место в ее геноме – тем же ферментом разрезают плазмидную ДНК бактерии, чтобы внедрить в него ген инсулина. Поэтому липкие концы плазмиды комплиментарны липким концам гена. Плазмидная ДНК будет использоваться в дальнейшем как флешка, с помощью которой мы вставим необходимый ген в бактерию.

Стадия 2. Лигирование

На первом этапе мы с помощью ферментов рестрикции нарезали необходимые «ингредиенты», из которых будем теперь собирать организм с полезными для человека свойствами. Для этого нам необходимо перенести нужную информацию (ген, отвечающий за синтез инсулина) на носитель – плазмидную ДНК бактерии. Для этого используется другой фермент, называемый «лигазой».

Лигазы – группа ферментов, которые сшивают липкие концы
разных генетических элементов.

Лигазы сшивают ген, полученный нами из клеток животного, с плазмидной ДНК бактерии. Готово! Теперь вся нужная информация на «флешке» и мы можем успешно вставлять ее в «компьютер» – геном бактерии.

Стадия 3. Трансформация

Этапом трансформации в технологии рекомбинантных ДНК называется само введение носителя (плазмидной ДНК бактерии) в геном организма. После введения нужного гена бактерия начинает синтезировать необходимый белок – инсулин, а при делении она передает эту способность и дочерним клеткам. Но к сожалению, при введении плазмиды случаются и неудачи – частота успешной трансформации = примерно 1 к тысяче клеток… С таким малым процентом удачных перевоплощений мы, конечно, не получим колонию бактерий, которая гарантированно будет производить достаточное количество инсулина для использования ее на производстве. Поэтому технологи прибегают к следующему этапу – скринингу

Стадия 4. Скрининг

При скрининге исследователи отбирают колонии клеток с нужным геном и пересаживают их в отдельную питательную среду для последующего культивирования. Среда содержит много питательных веществ и полезных добавок, а сосуды с рекомбинантными организмами находятся в термостате, где сохраняется благоприятная для них температура. В таких «райских» условиях колония, состоящая изначально всего лишь из нескольких клеток, быстро размножается и начинает производить нужный нам инсулин в промышленных масштабах. Теперь главное – продолжать уход за маленькими работниками и не забывать вовремя кормить их и расселять по новым «квартирам» – чашкам Петри.

Замечательно! Теперь Вы знаете, каким образом биотехнологи получают рекомбинантные ДНК и вшивают их в живые организмы. А чтобы закрепить материал в памяти, рекомендуем еще раз посмотреть на общую схему технологии рекомбинантных ДНК и повторить этапы их производства:

Почему именно бактерии?

В первой главе мы рассмотрели пример синтеза инсулина в промышленных условиях с использованием плазмидных ДНК бактерий. Можно предположить, что такой же опыт будет возможно воспроизвести также и с растительной или животной клеткой. Теоретически – да. Но на практике в технологии рекомбинантных ДНК все чаще используются именно бактериальные организмы. Почему? Об этом Вы узнаете в данной главе.

Бактерии – прокариотические (не имеющие ядра и мембранных органоидов) одноклеточные микроорганизмы.

Секрет «популярности» бактерий как объекта исследований биотехнологов лежит в том, что все гениальное просто. Строение бактериальной клетки крайне незамысловато: в ней есть кольцевая ДНК и цитоплазма, и все это окружено мембраной и клеточной стенкой. С такими организмами гораздо проще работать, чем с эукариотическими системами, в которых присутствует множество мембранных органоидов – они могут повредиться из-за внедрения носителя в геном клетки. Кроме того, чтобы «залезть» в наследственный аппарат эукариотической клетки, придется преодолеть двухслойную ядерную оболочку, что тоже может спровоцировать негативную реакцию со стороны испытуемой клетки.

Простота строения бактериальной клетки также позволяет ей быстро размножаться. В отличие от клеток растений и животных, бактерии способны к простому делению надвое, поэтому колония отобранных при скрининге бактерий с необходимым геном за короткое время увеличивается в тысячи раз и, разумеется, производит гораздо больше целевого продукта. Например, размножение кишечной палочки занимает всего 20 минут! В следующие 20 минут каждая из дочерних клеток произведет еще пару себе подобных и так будет продолжаться до того момента, пока не иссякнут ресурсы питательной среды. Таким образом, размножение прокариот будет ускоряться в геометрической прогрессии. 

Третья важная причина использования именно бактерий – наличие в их клетках внехромосомных генетических элементов, которые называются плазмидами

Плазмиды – внехромосомные генетические элементы бактерий.

Бактерии могут обмениваться плазмидами и без вмешательства человека, поэтому в их популяциях быстро распространяются полезные адаптивные свойства. Плазмиды также удобно использовать в биотехнологии, как «флешку», на которую можно записать необходимые человеку признаки и таким образом вставить их в геном бактерии.

Применение рекомбинантных ДНК

Рекомбинантные ДНК широко используются в фармакологической промышленности для производства труднодоступных лекарственных компонентов. Это делает производство массовым, более дешевым и… менее кровопролитным. Например, до изобретения метода рекомбинантных ДНК уже рассмотренный нами гормон инсулин для больных диабетом добывался из поджелудочной железы животных, которых предварительно умерщвляли… Только представьте, тысячи убитых животных ради нескольких сотен инъекций для людей… А ведь они необходимы почти ежедневно. И это не единственная проблема! Чужеродные животные белки отторгались иммунной системой и вызывали у многих людей ужасные аллергические реакции и побочные эффекты. А в современных реалиях производство гормона относительно безопасно для среды и человека и не требует никаких жертв – бактерии трудятся на заводах получше настоящей поджелудочной железы млекопитающего! Кроме того, с помощью технологии рекомбинантных ДНК можно производить в промышленных масштабах экстракты вымирающих лекарственных растений, пищевые добавки к кормам для животных и многие другие полезные вещества.

Технология рекомбинантных ДНК широко применяется и в производстве вакцин. Так, например, изготавливают вакцины против гепатита В, а также вакцина против вируса папилломы человека (ВПЧ). Рассмотрим подробнее методику изготовления таких рекомбинантных вакцин на примере вакцины против гепатита В:

Методика изготовления будет очень похожа на уже рассмотренный нами ранее пример производства инсулина. Однако здесь в качестве культивируемых организмов используются дрожжи – грибки, которые способны очень быстро размножаться почкованием.

Почкование – способ вегетативного размножения дрожжей путем
деления клеток митозом.

Стадия 1. В первую очередь необходимо вырезать ген, который отвечает за антигенные свойства вируса, из его ДНК. Если мы заставим клетки дрожжей производить точно такие же антигенные белки, то организм вакцинированного человека будет принимать их за вирусную частицу и запустит производство антител, которые не позволят человеку в дальнейшем заразиться этим вирусом по-настоящему. На этом этапе мы применяем уже знакомые ферменты рестрикции, которые вырезают необходимый ген из ДНК.

Стадия 2. Далее нужно вшить вырезанные у вируса гены в клетку грибка. Для этого мы воспользуемся лигазами, которые способны склеивать генетические конструкции между собой. 

Стадия 3. После введения гена мы отбираем те клетки, которые успешно синтезируют белки гепатита В и размножаем их в лабораторных условиях. Готово! Теперь мы получаем большое количество антигенных вирусных белков и из них можем изготовить вакцину. А выращенную культуру клеток дрожжей позже мы сможем использовать еще несколько раз – так мы получим столько вакцин, сколько необходимо. 

На этом этапе у читателя мог возникнуть оправданный вопрос: «Стоит ли игра свеч?». Зачем нужно так заморачиваться, если уже давно известен способ производства вакцин из ослабленных или мертвых вирусных частиц? Давайте разберемся с этим вопросом и узнаем о преимуществах рекомбинантных вакцин перед обычными:

  1. При введении рекомбинантной вакцины организм не заражается вирусом по-настоящему. Таким образом, ДНК вируса не попадет в клетки человека и вирусные частицы не будут размножаться в организме.
  2. Культуру клеток дрожжей с рекомбинантной вирусной ДНК можно использовать неоднократно для получения новых вакцин. В то время как для производства вакцин из ослабленных вирусных частиц необходимо постоянно откуда-то брать новые вирионы.

Таким образом, метод рекомбинантных ДНК – отличная альтернатива консервативным методам производства лекарств и препаратов для вакцинации. Эта технология позволяет поставить производство «на поток», сделать его безопасным и менее затратным! 

Фактчек

  1. Рекомбинантные ДНК – это фрагменты ДНК, которые получены путем сшивания нескольких фрагментов, принадлежащих разным организмам, в лабораторных условиях.
  2. Технология рекомбинантных ДНК состоит из трех этапов: рестрикция (вырезание нужных генов), лигирование (вшивание извлеченных генов на ДНК-носитель), трансформация (вставка носителя в живую клетку) и скрининг (отбор нужных организмов и их последующее размножение).
  3. Рекомбинантные ДНК применяются в производстве лекарственных препаратов и вакцин, а также пищевых добавок.

Проверь себя

Задание 1
Установите последовательность этапов работы ученых-микробиологов по созданию искусственно синтезированного инсулина.

1. получение штамма бактерий с геном инсулина
2. встраивание гена в плазмиду бактерии
3. выделение гена инсулина из клеток человека
4. встраивание плазмиды в геном бактерии
5. промышленное производство гормона

Задание 2
Выберите два верных ответа из пяти. В каких сферах биологической промышленности применяется технология рекомбинантных плазмид?

1. производство пластмасс
2. производство вакцин
3. промышленный синтез гормонов
4. изготовление деревянной мебели
5. машиностроение

Задание 3
Выберите два верных ответа из пяти. Какие свойства бактерий делают их удобным объектом для использования в технологии рекомбинантных ДНК?

1. высокая скорость размножения
2. наличие прочной клеточной стенки из муреина
3. способность обмениваться внехромосомными генетическими элементами
4. мелкие размеры клеток
5. наличие ядра и мембранных органоидов


Ответы: 1) 32415; 2) 23; 3) 13;

Понравилась статья? Оцени:
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 5,00/5 (1 голосов)
Загрузка...
Полезный материал? Поделись им со своими друзьями, пусть они тоже почитают
Я нашёл ошибку Если вы обнаружили ошибку, свяжитесь с нами с помощью короткой формы обратной связи
О чем эта статья: