КЭС 3.8 Объекты, используемые в биотехнологии, – клеточные и тканевые культуры, микроорганизмы, их характеристика. Традиционная биотехнология: хлебопечение, получение кисломолочных продуктов, виноделие. Микробиологический синтез. Объекты микробиологических технологий. Производство белка, аминокислот и витаминов. Искусственное оплодотворение. Реконструкция яйцеклеток и клонирование животных. Метод трансплантации ядер клеток. Хромосомная и генная инженерия. Искусственный синтез гена и конструирование рекомбинантных ДНК. Достижения и перспективы хромосомной и генной инженерии. Медицинские биотехнологии. Использование стволовых клеток
Теория соответствует ключам ФИПИ.
Биотехнология – целенаправленное получение ценных для человека продуктов с использованием живых организмов
Живые организмы используются:
- В пищевой промышленности: производство молочной продукции, пива, вина, хлеба
- В животноводстве: для создания кормового белка и пищевых добавок для животных
- В растениеводстве: для создания биологических удобрений для растений и биоинсектицидов для их защиты от вредителей
- В медицине: для получения антибиотиков, антител
- В охране окружающей среды: рекультивация земель, очищение водоёмов и почвы
- В энергетике: для получения биотоплива
- В металлургии: для извлечения металлов из бедных руд
Очень важны такие направления биотехнологии, как клеточная и генная инженерия. Они позволяют создавать культуры клеток или целые организмы с новыми свойствами.
Клеточная инженерия – выделение и культивирование клеток и тканей вне организма – «in vitro» («в пробирке»)
Применение клеточной инженерии:
- Клонирование: ядро соматической клетки животного пересаживают в яйцеклетку и выращивают новый организм-клон
- Соматическая (клеточная) гибридизация: получают «бессмертные» линии лимфоцитов, вырабатывающих антитела (для этого их сливают с раковыми клетками)
- Культура клеток и тканей: клетки и ткани выращивают в пробирке, чтобы в больших объемах получать ценные вещества, которые эти клетки выделяют (например, получение белков из культуры хлореллы, экстракта женьшеня из культуры его клеток и др.)
- Микроклональное размножение: из отдельных клеток растений можно вырастить (клонировать) новое взрослое растение
Генная инженерия – это перенос генов из клетки одного организма в клетку другого, т.е. получение трансгенных организмов.
Применение генной инженерии:
- Инсулин получают из кишечной палочки (в её геном вставили человеческий ген синтеза инсулина)
- Выводят сорта растений, устойчивые к гербицидам, чтобы при обработке поля погибали только сорняки, но не культурные растения (в геном растения вставили ген, нейтрализующий вредные вещества гербицида)
- Выводят сорта растений, содержащие яд против насекомых-вредителей
Этапы переноса гена:
I. Выделение гена:
1. Из клетки организма, имеющего нужный ген, выделяют иРНК путём центрифугирования
2. Общую массу иРНК разделяют на отдельные молекулы путем электрофореза
3. Найдя нужную иРНК, по её матрице синтезируют ДНК путём обратной транскрипции
4. Размножают полученную ДНК с целевым геном методом полимеразной цепной реакции (ПЦР)
II. Получение вектора – переносчика, в который мы вставим ген и который доставит этот ген в нужную клетку:
0. Для этого используют плазмиду – небольшую кольцевую молекулу ДНК бактерий
1. Плазмиду разрезают спец. ферментом рестриктазой
2. В плазмиду вставляют нужный ген (который мы получили ранее)
3. Ген сшивают с плазмидой ферментом лигазой
III. Перенос гена в составе вектора в клетку (на примере бактерий):
1. Бактерия сама поглощает вектор (плазмиду) из внешней среды – этот процесс называется трансформацией
2. Плазмида с нужным геном встраивается в геном бактерии
IV. Чтобы понять, какие клетки в культуре получили нужный ген, а какие нет, проводят отбор:
1. Культуру клеток обрабатывают антибиотиком
2. Клетки, получившие плазмиду, выживают, а остальные – погибают
(! для возможности отбора вставляют в плазмиду не только целевой ген, но ещё и ген устойчивости к антибиотику или другой маркер (например, ген свечения при окрашивании специальным красителем)