Дәріс 11 АӨК дамытудың қарқынды жолы

1. Табиғи экожүйелердегі "Генетикалық инженерия" эволюциясына жаңа көзқарас

2. Қолданбалы ДНҚ технологияларын қолдану әдістемесі
Биотехнологияның қазіргі даму кезеңі ДНҚ технологиясын кеңінен қолдануға негізделген. ДНҚ технологиясы-молекулалық генетиканың жаңа бөлімі, оның негізгі мақсаты тұқым қуалайтын материалды оны ұйымдастырудың әртүрлі деңгейлерінде: геномдық, гендік, хромосомалық және т. б. зерттеу және өзгерту болып табылады.

ДНҚ технологиясының негізгі міндеті-жеке гендерді оқшаулау, оларды клондау (көбейту) және гендердің жасанды комбинациясының рекомбинантты ДНҚ құру. In vitro гендік ДНҚ технологиясының мысалдары ретінде мыналарды атауға болады: вирустарға онкогенділік қасиетін беретін кейбір жасушалық гендердің вирустық геномдарына транслокация (діңді бітеу): донор-жасушалардың жасушалық гендерін фагтар көмегімен реципиенттер-жасушаларға трансдукциялау (көшіру), әртүрлі шығу тегі ДНҚ фрагменттерінен молекулалық құрылымдар жасау, оларды Е реципиенттік жасушаларына қосу.

Геномдық ДНҚ технологиясымен олар қосымша генетикалық ақпараттың көп мөлшерін енгізуге қол жеткізеді, нәтижесінде олар көптеген жолдармен түпнұсқадан ерекшеленетін гибридті организм алады.

Молекулалық генетика мен молекулалық биологияның қол жеткен табыстарының негізінде биология гылымының жаңа бір саласы - генетикалық инженерия қалыптасты.

Бұл гылымның мақсаты - практика мен теория үшін қажетті генетикалық бағдарламаның жобасын жасап, оны тірі организмге енгізу. Мұндай тәсіл тіршілікті меңгеруде жаңа мүмкіндіктер туғызады.

Генетикалық инженерияның көздеген мақсаты мен зерттеу әдістеріне байланысты мынандай деңгейлерін ажыратуға болады: 1) молекулалық (геннің құрамды бөліктерін зерттеу); 2) гендік; 3) хромосомдық; 4) клеткалық; 5) ұлпалық; 6) организмдік; 7) популяциялық.

Басқа биологиялық ғылымдар сияқты генетикалық инженерияның да дамуының тарихы бар. Бұл саладағы алғашқы зерттеулердің қатарына Н.П. Дубининнің (1934 ж.) дрозофила шыбындарының хромосом санын өзгерту бағытында жүргізген жүмыстары жатады. Ол рентген сәулелерімен әсер ету жолымен хромосома санын өзгертуге болатындығын анықтады.

1956 жылы Е.Сирс рентген сәулесінің көмегімен жабайы эгилопс өсімдігі жапырағының сары дақ ауруына төзімділігін анықтайтын генді жұмсақ бидайдың хромосомасына апарып салған.

Нәтижесінде жұмсақ бидайдың сары дақ ауруына төзімді формасы алынған.

1971 жылы В.А.Струнников ген және хромосом деңгейіндегі генетикалық инженерия әдістерін жібек құртында пайдаланды.

Клетка деңгейінде жүргізілетін жұмыстардың ішінде сомалық клеткаларды гибридизациялау әдісі кеңінен қолданылады. 1960 жылы Ж.Барский жануарлардың сомалық клеткаларының бір - бірімен қосылып, екі клеткадағы генетикалық информацияны біріктіруге қабілетті екендігін көрсетті.

К. Гржешик (1973 ж.) көп жыл бойы лабораторияда жүргізген зерттеулерінің нәтижесінде сомалық клеткалардың тур ішіндік және түр аралық гибридтерін алды.

Сомалық клеткаларды гибридтеу өсімдіктерге де жургізілді. Темекі. Сәбіз, томат сияқты өсімдіктердің жеке протопластарынан клетка қабықшасы регенерацияланып, каллус түзілгеннен кейін, тұтас өсімдік қалыптасатындығы анықталды. Осы тұрғыдан көптеген зерттеушілер протопалстарды бөтен генетикалық информацияны қабылдайтын жақсы реципиент және сомалық клеткаларды будандастыру үшін қолайлы материал деп біледі.

Генетикалық инженерияның клеткалық және организмдік деңгейлері бір - бірімен тығыз байланысты. Жануарлар клеткаларымен жүргізгсн тәжірибелерде бір клетканың ядросын екіншісімен алмастыруға, екі немесе бірнеше эмбрионды қосып біріктіруге, оларды бірнеше бөлікке бөлшектеуге болатындығы анықталды. Мысалы, генотиптері әртүрлі ұлпалардың клеткаларын біріктіру жолымен тышқанның аллофенді дарақтары алынған. Ол үшін дамудын бастапқы бластомерлі кезеңіндегі эмбриондар алынады және оларды бөліп алған соң проназа ферментінің көмегімен жеке-жеке бластомерлерге бөлшектейді. Содан соң екі немесе бірнеше ұрықтың бластомерлерін қосып, соның негізінде тұтас бір комплексті эмбрион жасалынады. Сөйтіп ақ және қара тышқандар бластомерлерінің бірігуі нәтижесінде аллофенді ұрық дамиды. Гаструла стадиясында ұрық пробиркадан алынып, аналық тышқанға жіберіледі. Одан туатын ұрпақ екі түрлі ата —ананың фенотиптерін біріктіретін аллофенді болып шығады. Аллофенді ұрпақтарды үш, төрт немесе одан да көп ата - анадан да алуға болады.

Сомалық клеткаларды біріктірумен қатар бір клеткадан бөлініп алынған жеке хромосоманы басқа клеткаға енгізудің де жолдары табылған. Сондай жеке бөлініп алынған хромосома гендерінің басқа бөтен клеткаға барғанда да қызмет атқаратындығы анықталған. (Мак-Брайд, Озер, 1971).
Соңғы кездерде нуклеин қышқылдарын алмастырудың түбегейлі әдістсрі жасалды. Соның негізінде молекулалық биология мен генетиканың жаңа бір саласы ген инженериясы қалыптасып дамуда. Ген инженериясы одан бұрынырақ қалыптасқан хромосоманы, генотипті өзгертуге қарағанда ДНК-ны рекомбинациялау арқылы ген қызметіне араласуға мол мүмкіндіктер туғызды. Гендік және генетикалық инженерия дегендер егіз ұғымдар, дегенмен соңғысының жеке гендерден гөрі геномның ірі бөлшектеріне қатысы көбірек.

Ген инженериясының қалыптасуы 1972 жылдан басталады деуге болады, себебі сол жылы америка оқымыстысы П.Берг тұңғыш рет маймылдың онкогенді вирусының, бактериофагтың және Е.СоІі бактериясы геномдарының түрлі бөліктерін біріктіру арқылы рекомбинантты ДНК алды. Бірақ мұндай құрастырмалы ДНК —ның функционалдық активтілігі әрі қарай зерттелген жоқ, себебі мұндай жолмен адам өміріне қауіпті бактериялар алынуы мүмкін деген күдік туды. Кейінірек зиянды зардаптары жоқ рекомбинантты ДНК алудың жаңа тәсіддері табылды.

Қызметі жағынан активті гибридті ДНК молекуласын ең бірінші болып 1974 жылы. С.Коэн, Д.Хелинский, Г.Бойер алды. Олар құрамына әртүрлі бактериялардың, бақа ооцитінің, теңіз кірпісі, тышқан митохондриясы ДНК—ларының фрагменттері енетін «химерлі» плазмидтерді құрастырып шығарды. Оларды трансформация жолымен бактерия клеткасына енгізу арқылы онда жоғары сатыдағы организмдер ДНК—сына тән транкрипция құбылысын жүргізуге мүмкіндік туды. Кейінірек активті қызмет атқаратын рекомбинантты ДНК—ны совет оқымыстылары С. И. Алиханян мен А. А. Баев та құрастырды.

Ген инженериясының теориялық негізіне гентикалық кодтың универсалдылығы жатады. Бір ғана кодтың (триплеттің) барлық организмдердің - адам, жануар, өсімдік, бактериялардың белок молекулаларының құрамына енетін амин қышқылдарын бақылай алатындығына байланысты ДНК молекуласының кез-келген бөлігін баска бөтен клеткаға апарып салу, яғни молекулалық денгейде гибридтеу теориялық тұрғыдан алғанда мүмкін болып есептеледі. Генді бөтен клеткаға апарып салу (трансгеноз) және геннің өзін ДНК құрамынан бөліп алу немесе қолдан синтездеу, әрине, өте күрделі жұмыстар. Ал организмге сырттан енгізілген генінің жаңа гепетикалық аппарат құрамына қосылып, қызмет атқаруы одан да күрделірек. Дегенмен бұл салада қол жеткен табыстар баршылық. Мысалы, жасанды ортада балапан ұрығының клеткасы өсірілген. Белгілі бір уақытта оған жаңа синтезделген ДНК жіпшелерінің құрамына енетін бромдезоксиуриди косылған. Осылайша таңбаланған жаңа синтезделген ДНК-ны бұрыңғы ескі ДНК-дан оңай ажыратуға болады. Сонымен қатар осындай ортаға тышқан клеткасынан бөлініп алынған тритимен (3Н) таңбаланған ДНК қосылған. Содан біраз уақыттан соң, клетка көбейгеннен кейін, оның құрамындағы генетикалық материалды алып қарағанда тышқанның ДНК-сы мен балапан ДНК-сының араласып кеткендігі байқалған.

Гендік инженерия әдістерімен рекомбинантты ДНК құрамына енетін жекелеген гендерді мынандай жолдармен алуға болады: 1) табиғи ортадан (клетка, организм) тікелей бөліп алу, 2) химиялық жолмен синтездеу арқылы алу; 3) белгілі бір генге сәйкес келетін иРНК-ның көшірмесін алу.

Бірінші әдіс ген инженериясы дамуының бастапқы кезеңінде кеңінен қолданылды. Түрлі организмдердің клеткаларынан бөлініп алынған тұтас ДНК молекулалары рестриктаза фермештерінің көмегімен бөлшектелініп, реципиент клеткаларға жіберілді және гибрид молекулалардан тұратын иондар алынды. Бұл әдіс осы күнге дейін өз мәнін жойған жоқ, мысалы, қазір гендердің банкін жасау үшін пайдаланылуда.

Генді химиялық жолмен қолдан синтездеу тұңғыш рет 1969 жылы Г.Корананың лабораториясында жүзеге асырылды. Корана өзінің қызметтестерімен бірге ашыту бактериясының көмегімен аланинді ТРНК генін синтездеді. Ол ген бар жоғы 77 нуклеотидтен тұрған және реттеуші механизмі жоқ болғандықтан активті қызмет атқара алмаған. Кейіннен функционалдық жағынан активті 200 нуклеотидтен тұратын тирозинді ТРНК генін синтездеді. Қазіргі кезде қолдан синтезделген гендердің ішіндегі ең ұзыны адамның өсу гормонының гені, ол 584 нуклеотидтен тұрады.

Генді жасанды жолмен алудың үшінші әдісі кері транскрипция арқылы жүретін ферментативтік синтезге негізделген. Бұл ең алғаш онкогенді вирус РНК-сының репликациясын зерттеу барысында анықталды. Сонда кері транскриптаза ферментінің көмегімен ИРНК матрицасының негізінде ген синтезделген.

Осындай жолмен адам мен жануарлардың және құстардың глобиндерін, жұмыртқа белогын, сиыр көзайнасының белогын т.б. кодтайтын гендер алынды. Бұл әдіс адам интерферонының генін бөліп алып, бактерия клеткасына жіберу үшін де қолданылды. Интерферон — вирустық инфекциямен және басқа аурулармен, соның ішінде қатерлі ісікпен күресу үшін қолданылатыи тиімді дәрілік препарат. Интерферон жануарлар мен адам клеткасында жасалады. Ю.А-Овчинников пен В.Г.Дебабов адам интерферонын синтездейтін микроорганизмдерді алды. Алдымен олар адам интерферонын синтездеуге қабілетті рекомбинантты ДНК-ны құрастырып алды да, содан соң оны бактерия клеткасына жіберді. Ондай бактериялар 1 литр суспензияға шаққанда 5 мг интерферон синтездей алады. Бүл 1 литр қанның құрамындағыдан 5000 есе көп.

Генетикалық инженерия денсаулық сақтау, ауыл шаруашылығы, биотехнология және микробиологиялық өндіріс салаларында аса зор практикалық мәні бар проблемаларды шешуде маңызды роль атқарады. Генетикалық инженерия әдістерін жетілдіру денсаулық сақтау мен ауыл шаруашылығы үшін қажетті гормондар, ферменттер және антибиотиктерді синтездейтін микроорганизмдердің жаңа штаммдарын алуға мүмкіндік туғызады. Сонымен қатар жануарлар гендерін бактерияларға жіберудің де үлкен практикалық мәні бар. Өсімдік және жануар белоктарын бактерия клеткаларында синтездеу экономикалық тұрғыда тиімді болып есептеледі.

Ауыл шаруашылығында, оның ішінде егіншілікте өсімдіктердің атмосфералық азотты өздері жинақтап алуы басты бір проблема болып есептеледі. Ал азот болса, белокты заттың құрамына енетін негізгі компонент. Сол азотты кейбір өсімдіктер, мысалы, бұршақ тұқымдастар топырақ бактерияларымен селбесіп, өздері жинақтайды. Көпшілік өсімдіктерде, соның ішінде, әсіресе, астық тұқымдастарда ондай қасиет жоқ, сондықтан олар үшін миллиондаған тонна азотты тыңайтқыштар жұмсалады. Олардың топыраққа 40 пайыздайы ғана сіңіп, қалғаны сумен шайылып кетеді. Екінші жағынан ол экологиялық тұрғыда тиімсіз болып есептеледі, себебі көп мөлшердегі нитратты қосылыстар тірі организмдерге зиян келтіреді. Соңғы кездс бүл мәселені шешуде ген инженериясы көмекке келді. 1972 жылы У.Постгейт пен Р. Диксон азот фиксациялауға қабілеті жоқ пішен таяқшасына азот жинақтай алатын басқа бір бактерияның генін апарып салған, сонда ол азот фиксациялау (бекіту) қасиетіне ие болған. Осындай зерттеулердің негізінде аталмыш қасиетті астық тұқымдас өсімдіктерге беру мүмкіндігі бар екендігі анықталды.

Денсаулық сақтау саласында тұқым қуалайтын ауруларды емдеу үшін ген инженериясының үлкен маңызы бар. Қазірі кезде ауру адамдардан зат алмасудың 1000-нан аса түрлі тұқым қуалайтын өзгерістері табылған. Соның салдарынан белгілі бір гендердің мутацияға ұшырауына байланысты ферменттердің, гармондардың немесе белоктардың өзгеретіндігі анықталды. Сонда ондай аурулардан мүлдем айығу үшін сол мутантты гендерді жөндеу керек немесе өзгерген генді сау генмен алмастыру қажет. Мысалы, галактоземия ауруында ген өзгеруіне байланысты клеткада галактоза 1-фосфат уридилтрансфераза ферменті синтезделмейді. Соған байланысты адам организмі сүт қантының құрамына енетін галактозаны сіңіре алмайды. Содан келіп галактоза бауыр мен мидың т.б. оргаңдардың клеткаларына жинақталады. Соның салдарынан көз көрмей калады, бауырдың қызметі бұзылады,ақыл кемиді, т.б. күрделі өзгерістер пайда болады.

Жалпы генотерапия адамның денсаулығын түзеуге көмектеседі. Бұл жағдайда адам клеткасына ондағы жетіспейтін функцияны қалпына келтіретін калыпты ген жіберу керек. 1971 жылы Меррил мен оның қызметтестері галактоземия ауруы бойынша адам клеткасында жүргізілген генотерапияның сәтті аяқталғанын хабарлады. Олар галактоземиямен ауыратын адамның фибробластарын алды. Мұндай клеткалардың галактозаны сіңіруге қажетті ферментті синтездеуге қабілеті болмаган. Оны қалыпқа келтіру үшін құрамында галактоза гені бар Е.СоІі бактериясының

фагы алынған. Сондай бактерия генін адам клеткасына жібергенде ол галактоза ферментін синтездеуге кіріскен. Австралия оқымыстысы Дой 1973 жылы Меррил тәжірибесін өсімдік клеткаларына қайталап жүргізді. Бұл ретте обьект ретінде томат өсімдігінің гаплоидты клеткалары алынды. Өсімдік клеткалары лактоза мен галактозада өсуге қабілетсіз. Ал егер ондай ортаға ДНК-сының құрамында лактоза мен галактозаны ашыту қабілетін анықтайтын гені бар фагты апарып қосқанда клеткалардың өсе бастайтындығы байқалған. Осы зерттеулердің негізінде ген инженериясының эдістерін пайдалана отырып, эукариоттардың клеткаларына тікелей араласуға болатындығы анықталды.

Эукариоттардың гендерін бактерия плазмидтері мен вирустардың ДНК-сына жіберу - жоғары сатыдағы организмдердің генетикалық материалының молекулалық құрылымын зерттеудің жаңа бір тәсілі болып есептеледі. Ген инженериясының әдістері гендердің қызметі мен құрылымдық ерекшеліктеріне тереңірек үңілуге мүмкіндік береді. Ген проблемасын зерттеудің мұндай деңгейі канцерогенездің иммунологиялық қасиетін, аллергияның, практикалық медицинада маңызы бар басқа да құбылыстардың мәнін ашуда ерекше маңызы бар.

Ген инженериясы бойынша жүргізілген жұмыстардың негізінде биологиялық қауіп тудыратын проблемалардың бар екенін де ескерте кеткен жөн. ДНК молекулаларын оңды-солды қолдану биологиялық тұрғыда өте қауіпті гибрид молекулалардың жасалуына әкеп соғуы мүмкін.

Өйткені соның салдарынан биосфераға жаңа патогенді немесе мутантты гендері бар бактериялар мен вирустар қаптап кетуі ықтимал. Кейбір рекомбинантты молекулалар қатерлі ісік (рак) тудыруы да мүмкін. Генетикалық инженерияның әдістері жаңа биологиялық қарулар жасау мақсатында да қолданылуы күдік. Егер бұл айтылғандар жүзеге асатын болса, жалпы жер бетіндегі тіршілік атаулыға, соның ішінде, ең алдымен, адам баласына қауіп төнеді.

Генетикалық инженерияның қол жеткен табыстарының арқасында ауыл шаруашылығының, биотехнологияның және медицинаның іргелі мәселелері шешілетіні сөзсіз. Осыған байланысты өсімдіктер, жануарлар мен мироорганизмдер селекциясы жаңа сипат алмақ. Бұл ғылымның адамда болатын тұқым қуалайтын аурулармен және басқа да биологиялық кемістіктермен күресе алатын орны ерекше. Генетикалық инженерияның, сонымен қатар, әлеуметтік және психологиялық проблемаларды зерттеуге де қатысы бар. Осы аталған проблемалар шешілетін болса, адамзаттың бүкіл органикалық дүниеге үстемдігі артады, сөйтіп ол тірі табиғаттың нағыз иесіне айналады