«биотехнология негіздері» пәнінің ОҚУ-Әдістемелік кешені

Дәріс жоспары:

1. 
   Биотехнология анықтамасы;
   
2. 
   Биотехнология жетістіктері;
   
3. 
   Биотехнологияның Қазақстанда дамуы.
   

Осы уақытқа дейін «биотехнология» термині кеңінен таралған «өнеркәсіптік (немесе техникалық) микробиология» мағынасына синоним ретінде қолданылып келді. Соңғы үш 30 жылда «биотехнология» түсінігіне өмір туралы ғылымның жаңа салалары кірді: гендік инженерия және терапия, жасушалы мәдениеттің қолданылу әдістері, тірі ағзалардың клонданылуы және молекулярлы және жасушалы биологияның басқа да жетістіктері.

Codex Alimentarius Commission анықтамасына сәйкес, қазіргі биотехнология – бұл келесі әдістемелердің қолданылуы:

1) нуклеин қышқылдарымен жұмыс, соның ішінде рекомбинантты ДНҚ-ның алынуы және нуклеин қышқылдарының тікелей жасушалардың немесе органеллалардың ішіне енгізілуі;

2) табиғи физиологиялық репродуктивті немесе рекомбинантты тосқауылдарды жеңуге мүмкіндік беретін және айқастырылу және селекция кезінде дәстүрлі қолданылатын әдістеме болып табылмайтын әр түрлі таксономикалық топтарға тиісті ағзалардың жасушаларының араласып кетуі.
2 Биотехнология жетістіктері

Қазіргі уақытта биотехнология ғылыми-техникалық прогрестің алдыңғы қатарларына жылжуда және бұл оның ерекшелігінің мерзімді қатары болып табылады:

1. Биотехнологиялық өндіріс ғылыми сыйымды өндіріс болып табылады,ал оның дамуы экономиканың тиімді көтерілуіне әкеледі.

2. Биотехнология сферасында құрылымды зерттеуді шектеу қиын бұл бір жағынан және екінші жағынан қолданбалы зерттеу. Ол іс жүзінде биотехнологияның уақытша іргелі нәтиже және технологияның зерттемесінің практикалық игеруге кедергі жасауда.

3. Жасушалар және биологиялық молекула қолданылуында негізделген технология табиғи әр түрлілік қолданысында үлкен мүмкіндіктер туғызады, іргелі биотехнологиялық зерттеулердің нәтижелері жақсы бағдарламаланғыштыққа және практикалық маңыздылыққа ие.

4. Биотехнология жаңартылмайтын ресурстарды жаңартылатындарымен алмастыру мүмкіндігін қамтамасыз етеді, сондықтан ол жаңыртылмайтын табиғи ресурстар дефицитімен байланысты мәселелерді шешу құралы ретінде бағаланады.

Жоғарыда айтылғандарға байланысты биотехнология Қазақстан Республикасының индустриалды дамуының басты бағыттарының бірі болып табылады.

Кеңес уақытында Қазақстанға өнеркәсіптік биотехнологияның өндірістік негізі рольі берілді. Әскери-өнеркәсіптік кешенге кіретін стратегиялық мәндегі мамандандырылған мекемелер мен жабық қалалар жасалды. Сонымен, дамыған инфрақұрылым, жоғары квалификациялы кадрлер және қазіргі өндірістік база түріндегі – көрнекті жүкпен Қазақстан 90-шы жылдардың басына аяқ басты.

ҚР-ң Президентінің Жарлығымен 1993 жылы елдің бастаушы биологиялық ғылыми орталығы болып табылатын Қазақстан Республикасының, ҚР-ң білім және ғылым министрлігінің ғылым Комитетінің Ұлттық биотехнология орталығы құрылды (ҰБО).

ҰБО биотехнология салаларының дамуының және қолдауының мемлекеттік саясатын іске асырады, биотехнология, биологиялық қауіпсіздік және экология облысындағы мемлекетпен қаржыландырылатын ғылыми-техникалық бағдарламаларды орындайды және үйлестіреді.

ҰБО келесі облыстарда зерттеулер өткізеді:

- генді диагностика, фармакогеномика, медициналық биотехнология;

- діңгек жасушалар, жасушалы технологиялар, регенерациялық медицина;

- иммунология, иммунохимия, иммунобиотехнология;

- фармакология, клиникалыққа дейінгі и клиникалық сынақтар;

- микроағзалардың молекулярлы генетикасы;

- өсімдіктердің молекулярлы генетикасы және гендік инженериясы;

- биотехнология және өсімдіктердің жасушалы селекциясы;

- экологиялық биотехнология, экологиялық мониторинг.

Әрине, биотехнология облысындағы әлем ғалымдарының керемет жетістіктерімен, мысалы микроағзалардың органикалық бөліктерін органикалық емес бөліктерімен алмастыру арқылы жасалған нанороботтармен салыстырғанда, Қазақстанның жетістіктері айтарлықтай керемет көрінбейді. Алайда, ҚР-ң БҒМ-де санайтындай, қазақстандық биотехнологияда болашақта экономиканың маңызды секторы болатындай жеткілікті потенциал бар.
Дәріс № 2. Биотехнологиялық объектіні таңдау.

1. 
   Жинақталатын дақылдарды алу.
   
2. 
   Микроорганизмдердің кейбір түрлеріне сипаттама.
   

Қазіргі биотехнологиялық өндірістің негізі-микробиологиялық синтез, яғни микроорганизмдердің көмегімен әртүрлі заттар синтезі.

Табиғаттың объектілерінен тәуелсіз, биотехнологиялық зерттеулердің алғашқы кезеңі жасуша және тіндерден таза культураларды алу болып табылады.

Микроорганизмдерге барлық прокариоттар жатады-бактериялар, актиномицеттер, риккетсиялар, және эукариоттардың бір бөлігі- ашытқы, жіп тәрізді саңырауқұлақтар, қарапайымдылар және балдырлар. Олардың ортақ қасиеттері- шағын мөлшері, сондықтан олар тек микроскоппен көрінеді. Қазіргі уақытта 100 мыңға жуық әртүрлі микроорганизмдер түрі белгілі. Сонша көп әртүрлі микроорганизмдерге қалай дұрыс таңдау жасауға болады, дәл сол түрге, бізді қызықтыратын өнімге? Осыған ұқсас мәселелерді шешу үшін микроорганизмдерді бөліп алу жүргізіледі. Сынама сол немесе басқа продуценттің ортасы мүмкіндеу орынынан алынады. Осыған сәйкес көмірқышқылды микроорганизмдерге бензинді колонка маңындағы топырақ мекені болуы мүмкін, шарап ашытқылары көбіне жүзімде кездеседі, анаэробты целлюлоза іріткіш және метан түзетін микроорганизмдер көп мөлшерде күйіс қайтаратын жануарлардың қарындарында кездеседі. Сынама үлгісі арнайы құрамды сұйық қоректік ортаға енгізеді. Бұл орталар элективті деп атайды. Мұнда әртүрлі факторларды қайнату жолымен бізді қызықтыратын продуценттің өсу басымдылығы үшін таңдалған шарттар құрылады. Бұл факторларға энергия көзі, көміртек, азот, рН мәні, температура, осмостық қысым және т.б. жатады. Продуцентке холестериноксидазалардың жиналуы үшін көміртектің бірден-бір көзі ретінде холестеринді орта қолданылады; көмірқышқылды микроорганизмдердің ортасы парафинмен; протеолитикалық және шиполитикалық ферментті продуценттердің- ортасы,нәруыз және майдан тұратын орта. Сонда микроорганизмдердің жинақтаушы культуралары болады.

Келесі кезең- таза культураларды бөліп алу. Ол үшін тығыз қоректік орталар қолданылады, онда жинақтаушы культурадан алынған, сынама үлгісі отырғызылады. Тығыз қоректік ортадағы микроорганизмдердің жеке клеткалары жекеленген колонияларды түзеді, олардың келесі отырғызылуынан продуценттің таза культурасын алады, бір түр клеткалар популяциясынан тұратын.

Микроорганизмдерді бөліп алудың басқа жолыда бар - микроорганизмдер коллекциясынан. Әр түрлі микроорганизмдер топтарының биохимиясы мен физиологиясын зерттеу нәтижесінен жиналған тәжірибесімен басқарылады: антибиотик продуценттерін көбіне актиномицеттер ортасынан табады, клеткадан тыс бөлініп алынған гидролитикалық ферменттер грам оң бактерияларға , этанолдың әдеттегі продуценті-ашытқылар және т.б. тән.

Арнаулы өнімдерді синтездеу қабілеттілігі продуцентті таңдаудағы негізгі белгісі болып табылады. Бірақта микробиологиялық өндіріс продуценттерге басқа талаптар қатарын қояды, маңызды көзқараспен өндіру технологиясына микроорганизмдер міндетті:

1. 
   Өсу жылдамдығы жоғары болу керек;
   
2. 
   Тіршілік әрекетіне арзан тағамдық емес субстранттарды қолдану
   
3. 
   Бөгде микрофлорамен жұқтыруға қарсы тұру керек.
   

Біржасушалы микроорганизмдер, тірі ағзалардың жоғарғы түріне қарағанда синтетикалық процестердегі жоғарғы жылдамғдығымен ерекшеленеді. Мысалы, массасы 500 кг сиыр бір тәулік ішінде 0,5 кг нәруызды синтездейді. Бұндай көлемдегі нәруызды бір тәуліктің ішінде 5г ашытқы көмегімен алуға болады. Сонша өсудің жоғарғы жылдамдығымен сипатталады, бірақ, барлық, микроорганизмдерге емес. Аздау мөлшерде өсетін олиготрофты микроорганизмдер бар Биотехнологиялық зерттеулерде аса маңызды объектілер фотосинтездеуші микроорганизмдер болып табылады. Олар өздерінің тіршілік әрекеттерінде күн сәулесін қолданады, клетканың әртүрлі заттарын синтездейді, нәтижесінде көмірқышқылын қалпына келтіреді, судың тотығуымен (цианобактериялар және эуукариоттар) қабаттасқан, атмосфералық азотты меңгере алу (прокариоттар) яғни ең оңайэнергия көзі, көміртек, қалпына келтіретін эквиваленттер және азоттан тұрады. Фототрофты микроорганизмдер аммиактың, сутегі, нәруыз және әртүрлі биопрепараттардың продуценті ретінде тиімді. Биотехнологияға қолайлы объект термофильді микроорганизмдер болып табылады. Олар оптимальды жоғарғы температурада өседі. (60-80⁰ С, жеке өкілдері 110⁰ С-қа дейін және жоғары, 300⁰С –қа қысымға дейін өсе алатын микроорганизмдер мұхиттың тереңдігінен табылды) басқа микрофлораның өсуіне қиындық туғызатын темпетаруларда. Термофильдер ішінен құнды продуценттер табылады, спирттің, амин қышқылдың, ферменттің, молекулярлы сутегінің. Термофильдерді қолдану стерилизациялайтын өндіріс құралдардағы шығынды азайтады. Сонымен қатар, бұл организмдерде өсу және метаболиттік белсенділігі жоғары, 1,5-2 есе, басқа мезофилдерден қарағанда. Термофилмен синтезделетін ферменттер көбіне протеазалар Цермус кульдофилус қайнатуға, тотығуға, детергентке, органикалық ерігіштікке және басқада жағымсыз шарттарға жоғары қарсы тұра алады. Олар орташа температурада аз қозғалады.

Объектілерді бөлу және жинақтау-биотехнологиялық процестің маңызды кезеңі. Бірақ оңай жинақтау жолымен жоғары белсенді продуценттерді алу мүмкін емес, сондықтан организмнің табиғатын керекті бағытта өзгерту шешімі туады. Бұл үшін селекциялық әдіс қолданылады. Олардың көмегімен микроорганизмдердің өндірістік штамдары алынады, микроорганизмдердің белсенді штамдарын 10, 1000 есе жоғарлататын синтетикалық белсенділік.

Дәріс № 3. Селекция.

Селекция әдістерімен алынған, микроағзалардың өнеркәсіптік штамдары. Индуцирленген мутагенез. Мақсатты өнімнің құрылымдық ұқсастықтарына орнықтылығы бойынша – продуценттерді іріктеу.
Селекция – ДНК нуклеотидті тізбектілігінде құрылымдық түрөзгергіштің салдарынан, тұқымқұалаушылығы секіріс тәрізді өзгерістерге ұшыраған, ағзаларды, яғни, мутанттарды бағытты іріктеу. Селекцияның басты жолы – бұл продуценттерді көз жұмып іріктеуден оардың геномдарын саналы құрастыруға дейінгі жол. Бірақ кенеттен мутацияларды іріктеуге негізделген, әдістер микроағзаларды пайдаланумен әртүрлі технологиялардың дамуында маңызды рөл атқарады.

Осындай жолмен ұзақ уақыт бойында сыра, шарап, наубайхана ашытқыларының штамдары, сіркеқышқылының, пропион-қышқылының бактериялары т.б. іріктелген болатын. Баспалдақты іріктеу туралы сөз қозғалып отыр: кезңдердің әрқайсысында микроағзалардың популяцияларынан ең жоғары тиімді клондар іріктеледі. Кенеттен түрөзгеруге негізделген, селекция әдісінің шектеулігі олардың төмен тиілігімен байланысқан, бұл үдерістің қарқындылығын мәнді түрде қиындатады. ДНК құрылымында өзгерістер сирек жүреді. Түрөзгергіштік туындау үшін, ген орташа алғанда _-_есе еселенуі керек.

Көптеген ұрпақтар бойында үлкен көлемдерде бионысанды үздіксіз егумен сәйкестікте, 1мл тамшыларға _ және одан артық жасушаларға жететін, микробты популяциялардың жоғары тығыздықтары мутанттардың жеткілікті үлкен мөлшерін алуға мүмкіндік береді. Үздіксіз тәртіпте егу барысында ең өнімділікті мутанттарды іріктеудің мысалы, ашытқылар тіршілігінің өніміне, этанолға төзімділік белгісі бойынша Saccharomyces uvarumашытқыларды іріктеу болып табылады. Қышқылдарға және сілтілерге, метаболизм өнімдеріне, ауыр металлдардың иондарына, т.б.-әртүрлі факторларға бионысандардың төзімділігін жоғарылатуға жол алатын, бұл қадамның жаңашылдығы-дақылдың _ бөлуімен және биореакторға ингибирлейтін фактордың (бұл жағдайда этанол) түсуімен-дақылдың тіршілігін сипаттайтын, параметрдің арасында кері байланысты орнатуда. Осындай белгілеудегі ұзақ (650 сағаттық) егуде, 10%-ға дейін концентрацияларда этанолдық ингибирлейтін әрекетіне резистентті, мутант ашытқылар алынған.

Геномның жасанды зақымдануында бионысан мутациялары жиілігінің күрт ұлғаюы-индуцирленген мутагенез селекцияның мәнді түрде жақсаруына әкеледі. ДНК-ның бірінші құрылымының өзгерістерін тудыратын, кейбір химиялық қосылыстар, ультракүлгін рентген немесе усәулелері мутагенді әсерге ие болған. Өздерін ұсына білген мутагендер қатарына азотты қышқыл, алкилдеуші агенттер,акридинді бояғыштар, бром – урацил, т.б. жатады.

Алынған клондардың тоталді тексерейін (скрипинг) жүргізіді. Ең өнімділікті клондарды іріктеп алып, сол немесе өзге мутагенмен өңдеуді қайталайды, ең өнімділікті нұсқаны қайта таңдайды, т.с.с., яғни, мұнда да керекті белгі бойынша баспалдақты іріктеу туралы сөз қозғалады.

Еңбегінің күрделілігі – индуцирленген мутагнез және тізбекті баспалдақты іріктеу әдісінің негізгі кемшілігі. Сондай – ақ мутациялардың сипаты туралы мәліметтердің болмауы да әдістің кемшілігіне жатады, зерттеуші ақтық нәтиже бойынша іріктеу жүргізіледі. Егер, ауыр металдарға төзімді, бактерия штамдары туралы сөз қозғалса, онда төзімділік әртүрлі мутация топтарына байланысты болуы мүмкін: а) бактерия жасушасымен металдар катиондарының жұтылу жүйесін басумен; б) жасушадан жұтылған катиондардың шығарылуын белсендірумен; в) ауыр металдардың ингибирлейтін әсеріне сезімтал, жүйелердің қайта құрылуымен.

Молекулалық генетикалық жетістіктері, мақсатты өнімнің құрылымдық аналогтарына төзімділіктері бойынша, продуценттерді іріктеудің мақсатқа сай әдістерін тәжірибеге енгізуге мүмкіндік берді. Әдіс, биосинтетикалық жолдың ақтық өнімімен кері байланыстың қағидасы бойынша, ферменттерді реттеуге негізделген (В.Г.Дебабов, 1984). Метаболит концентрациясының жоғарылауы, метаболит синтезіне қатысатын, ферменттің белсенділігін ингибирлейді; немесе бұл ферменттің синтезін репрессиялайды. Осылайша,_ пен глюкоза болғанда көптеген бактериялардың жасушалары тіршілікке қажетті барлық азотқұрамды қосылыстарды синтездейді. Егер ортаға сол немесе өзге аминқышқылын қосса, онда оның


Сурет 2. Ақтық өніммен биосинтетикалық жолдың негативті реттелуі: A, B, C, D-Ea, Eb, Ec, Ed ферменттерімен, өршітілетін реакциялардың өнімдері.
синтезі тез тоқтайды. Метаболиттің құрылымдық аналогтары да осындай әсер тудырады, бірақ олар метаболитті функционалды алмастыра алмайды. Мысалы, аминқышқылының аналогы ақуыз құрамына кіре алмайды, сондықтан аналогтың ақуыз құрамына кіре алмайды, сондықтан аналогтың қатысуында қалыпты жасушалардың өсуі, мақсатты өнімге ашығумен байланысты, басылады.


Бұл жағдайларда тек кейбір жасушалар ғана аман қалады. Бұл ферменттер синтезінің және белсенділігінің бұзылған реттелуімен мутенттар. 1) Еа ферменті (сурет 2) функционалдық белсенділігін сақтаған, бірақ ақтық өнімнің немесе оның аналогының ингибирлейтін әсеріне сезімталдылығын жоғалтқан; 2) Еа ферментінің синтезі табиғатта өсімдіктердің обыр ісіктерін тудырады, өйткені олар бақылаусыз көбейеді. Осындай клондардың негізінде құнды қосылыстарды алуға болады.

Дәріс № 4 Инженериялық генетика.

Генетикалық инженерия әдістерімен алынған, микроағзалардың өнеркәсіптік штамдары.

1. Қажетті генді алу

2. Оны, репликацияға қабілетті, генетикалық элементке (векторға) құру.

3. Реципиент – ағзаға, вектор құрамына кіретін, генді енгізу.

4. Қажетті ген ие болған, жасушаларды сәйкестендіру (скрининг және селекция)

Қазіргі биотехнологияны көбінесе генетикалық инженерия негізіндегі биотехнология ретінде сипаттайды. Шындығында, бұл жасанды жасалған генетикалық бағдарламаларды жүргізудің нәтижесінде, бионысандардың бағытталған түрөзгергіштігіне қолданылатын негізгі жол. Кейде генетикалық инженерияның үш деңгейін ажыратады: 1) гендік – жеке гендерден тұратын, рекомбинантты ДНҚ – ымен тікелей манипуляциялау; 2) хромосомдық – гендердіңүлкен топтарымен немесе тұтас хромосомаларымен манипуляциялар; 3) геномдық - генетикалық материалдың барлығын немесе үлкен бөлігін біржасушадан басқасына тасымалдау. Қазіргі түсінікте генетикалық инженерияға рекомбинантты ДНҚ технологиясы кіреді. Генетикалық инженерия облысындағы жұмыстар төрт негізгі кезеңнен тұрады: 1) қажет генді алу; 2) оны репликацияға қабілетті, генетикалық элементке (векторға) құру; 3) реципиент – ағзаға, вектордың құрамына кіретін, генді енгізу; 4) қажетті генге ие болған, жасушаларды сәйкестендіру (скрининг және селекция). Әрбіркезеңді жеке – жеке қарастырайық. Гендерді алу. Қажетті генді келесі түрмен алуға болады: а) оны ДНҚ – дан бөлумен; б) химиялық - ферментатитвті синтез жолымен; в) РНҚ тәуеді ДНҚ полимеразаның (ревертозаның) көмегімен, оқшауланған матрицалық РНҚ – ның негізінде жаңғыртумен. Гендерді ДНҚ – дан бөлу. Оқшауланған ДНҚ бөлшектеуге ұшыратады. Ол үшін, нуклеотидтердің белгілі тізбектеріне ие болатын, үлескілерде ДНҚ ыдырауын өршітетін, рестрипциялық эндонуклеозаларды пайдаланады. Қазіргі уақытта, 85 әртүрлі нуклеотидті тізбектерді танитын, 400 – ден астам рестриктазалар белгілі. Ыдырау нуклеотидті жұптардың танылатын үлескісінің ортасында жүруі мүмкін, сонда ДНҚ – дың екі тармақшасы да бір деңгейде «қиылады». Түзілген бөлшектер екітармақты (тұйық) ұштарға ие болады. Басқа рестриктазалар ДНҚ – ның тармақшаларын ығыстырумен ыдыратады, сондықтан баспалдақ түзіледі. ДНҚ жіпшелерінің бірі бір неше нуклеотидтерге шығыңқы болады. Біржіпшелі (жабысқақ) ұштары түзіледі. Бір рестриктазаның әрекетімен алынған, ДНҚ – дың екі жабысқақ бөлшегі кездессе, онда ұштық тізбектерінің әсерінен өзара әрекетте оңай түседі. Қажет болғанда тұйық ұштары жабысқақтарға айналуы мүмкін. Ол үшін, тұйық ұштарға, жабысқақ ұштар беретін, рестриктазаның тану үлескілерімен екітізбекті тізбектілерді қосады. Жабысқақ ұштарымен нуклеотидті тізбектілік болуы мүмкін: а) алдын – ала сол рестриктазамен өңделген, векторға қосылуы; б) өзара комплементар ұштарды тігу жолымен сызықтық молекуладан сақиналыққа түрленуі мүмкін. Рестриктазалардың көмегімен ДНҚ – дан гендерді әдісі мәнді кемшіліктерге ие болған. Қажет генге сәйкес келетін, сол бірүлескіні ДНҚ – дан кесіп алуға мүмкіндік беретін, рестриктазаларды таңдап алу қиын. Қызықты генмен қатар, ДНҚ бөлшектреі, генді қолдануға кедергілер келтіретін, артық нуклеотидті тізбектіліктерге де ие болады. Рестриктаза нуклеотидті ген тізбектілігінің бөлігін ыдырата алады, нәтижесінде ген функционалдық толық құндылығын жоғалтады.

Эукариотты ағзалардың гендері күрделі құрылысқа ие болған: кодтайтын ақуыздан, мәнді (экзондар) және аралық, мәнсіз үлескілерден (интрондар) тұрады. Осындай ДНҚ – матрицада синтезделген, алғашқы РНҚ түрөзгеріске ұшырайды. Нәтижесінде интрондарға сәйкес келетін, үлескілер жойылады, ал, экзондарға сәйкес келетін үлескілер, қосыла отырып, жетілген матрицалық РНҚ түзеді. Интрондардың болуы трансплантацияланған гендердің қалыпты қызметіне кедергі болып табылады. Рестриктазалармен ДНҚ – ын өңдеу барысында бөлшектердің қоспасы түзіледі. Бұлқоспадан, қажетті генге ие болатын, бөлшектерді бөліп алу – оңай мәселе емес. Бактериялық жасуша шамамен бес мың гендерден, ал эукариоттық жасуша 10 – 20 мың гендерден тұрады. Гендердің химиялық – ферментативті синтезі. Бұләдіс – нативті ДНҚ – дан рестриктазалардың көмегімен гендерді «қиюға» маңызды альтернатива. Әдіс нуклеотидтердің арасында эфир байланыстарының кезеңдік түзілуі есебінен, қысқа (8 – 16 буынды) біртізбекті ДНҚ бөлшектерінің химиялық синтезінен және екі тізбекті поленуклеотидтердің түзілуінен, ДНҚ лигаза арқылы өзара олегонуклеотидтердің тігісінен тұрады.

Химиялық – ферментативтік синтез нуклоетидтердің минимальді қажетті тізбектілігін дәл жаңғыртуға және ДНҚ бөлшектерінде артық нуклеотидті тізбектіліктердің, сонымен қатар, интрондардың элиминирленуімен байланысқан, мәселелерді болдырмауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар,әртүрлі рестриктазалардың реттегішіне тізбектіліктердің т.б. тану үлескілерін гендерге енгізу мүмкіндігі бар.

Гендердің химиялық – ферментативті синтезіне оның нуклеотидті тізбектілігі туралы толық ақпарат қажет, сондықтан әдістің қолданысы осындай ақпаратты алу мүмкіндіктерімен шектелген. Генде нуклеотидтердің тізбектілігі сәйкесті ақуыздың алғашқы құрылымы негізінде жаңғыруы мүмкін. Ген құрылымын талдаудағы триумф – кодталатын ақуызда аминқышқылды қалдықтар тізбегінің және ДНҚ нуклеотидті тізбектілігінің параллель жаңғыруы. Химиялық – ферментативтік синтез әдісімен ас – оператор Е coli, проинсулиннің, инсулиннің А және В тізбектеріндегі, соматостатиндегі гендер алынған.

Жасушадан бөлінген матрицалық РНҚ негізінде гендердің ферментативті синтезі. Бұл гендер синтезінің ең танымал әдісі. Кері транскриптаза (ревертаза), мРНҚ – на комплементарлы, ДНҚ жіпшелерінің синтездерін өршітеді. Комплементарлық ДНҚ және кДНҚ деп аталатын, алынған біртізбекті ДНҚ – лып, ДНҚ – полимеразаны немесе ревертазаны қолданумен, ДНҚ – ның екінші жіпшесін синтездлеуге арналған матрица ретінде пайдаланады. Қарастырылатын әдістің артықшылығы, ген интрондарсыз және басқа транскрибцияланбайтын тізбектілерсіз алынады. Сонымен қатар, генді ДНҚ бөлшектерінің қоспасынан іріктегеннен гөрі, мРНҚ – ның қажет түрін жасуша аккумуляциялайтын, жағдайларды жасау оңайырақ. РНҚ тәуелді ДНҚ синтезінде негізделген, әдісті қолдануда 1979ж.адамның өсу гормонының генін алу үлкен жетістік болып табылады. Генді векторға енгізу. Сол немесе өзге тәсілмен алынған, ген ақуыз құрылымы туралы ақпаратты жүзеге асыра алмайды. Геннің әрекетін басқаратын қосымша механизмдер қажет, сондықтан генетикалық ақпаратты жасушаға тасымалдау векторлар құрамында жүзеге асырылады. Векторлар – өз бетінше реплткацияға қабілетті сақиналы молекулалар. Ген вектормен бірге рекомбинантты ДНҚ – ын түзеді. Рекомбинантты ДНҚ – ды құрастыру in Vitro жүзеге асырылады. Вектордың сақиналы молекуласы рестриктазамен айырылады. Алынған сызықты ДНҚ молекуласы, ДНҚ – ны енгізетін ұштарға комплементарлы, жабысқақ ұштарға ие болуы қажет. Енгізілетін геннің және вектордың комплементарлы жабысқақ ұштарын ДНҚ лигазаның көмегімен, біріңғай сақиналы молекула түзумен, қайта тұйықтайды. Векторлардың екі негізгі класын ажыратады: вирустар және плазмидтер. Генетикалық векторлар ретінде вирустарды пайдалану барысында туындайтын, маңызды мәселе – аттеньюация болып табылады. Аттеньюация – вируспен зақымдалған жасушалар аман қалуы және ұрпаққа өзгерген генетикалық бағдарламаны беруі үшін патогенділіктің әлсіреуі. Бүкілағза бойымен басты инфекция қысқа мерзімде дамитындай, жануар немесе өсімдік ұлпасында тарай отырып, жасушадан жасушаға тез тасымалданатын вирустардың қабілеті биотехнология үшін үлкен мәнге ие болған. Вирустардың осындай қасиеті ересек ағзадағы соматикалық жасушалардың генетикалық түрөзгеру мүмкіндігін ашады. Бұл қатынаста барлық он адам ағзасының жасышаларымен жетіспейтін гендерді таситын, вирустарды енгізу жолымен, адамның тұқым қуалайтын ауруларын емдеу жолдары ашылады.

Плазмидтер – бактериялардан, саңырауқұлақтардан, өсімдіктерден және жануарлардан табыған, автономды өздігінен репликацияланатын генетикалық бірліктер. Генетикалық инженерияда бактериялық плазмидтер, әсіресе Е coli плазмидтер кең қолданыс тапқан.

Векторларды құру барысында зерттеуші оған рестриктозаларды тану үлескілерін, сондай – ақ оңай танылатын белгілерді кодтайтын гендерді - маркерлерді енгізеді. Осы белгілер бойынша, вектор тасымалдаушылар болып табылатын, жасышаларды іріктеуге болады.

Космидтер – плазмидтер үлкен қызығушылық оятуда - олардың құрамына, ДНҚ – ның қапталуына жауап беретін, IEcoli фагтың ДНҚ cos – үлескісі енгізілген. Осындай плазмидалар генетикалық ақпараттың өте үлкен көлемін тасымалдауға қабілетті, рекомбинантты ДНҚ фагті бөлшектерге қапталуы мүмкін.

Өсімдіктердің генетикалық инженериясына қатысты Rhizobium және Agrobacterium туыстар бактерияларының плазмидтері тиімді. Agrobacteriumtumifaciens – те Ті – плазмидтер болады, ДНҚ плазмидтердің Т – үлескісі кейбір түрлердің өсімдіктерінде геномға құрылуы мүмкін. Ті – плазмидтерде үш ген (онкоген) болады, оның екеуі ауксин синтезінің кезеңдерін кодтайды, ал үшіншісі цитопининнің синтезіне жауап береді. Қалыпты өсімдік жасушаларының өсуі бұл гормондардың тыстан түсуімен реттеледі. Интеграцияланған күйдегі Т – 1 плазмидтер – Т – үлескілерден тұратын жасушалар, қатерлі ісіктерді – өсінділерді түзе отырып, бақылаусыз көбейеді. Плазмидтер оларда онкогендерді қиюмен «қарусыздандыруы» мүмкін. Қажетті өнімді кодтайтын, генді Т – үлеске қою, генетикалық нженерия үшін пайдалы векторға плазмидтердің түрленуіне алып келеді. Бірге опиндер деп аталатын октопиннің және нополиннің – аргинин туындыларының - аномальді аминқышқылдарының синтезін зақымдалған жасушаларда Т – 1 плазмидтер индуцирлейді. Опиндердің синтезге қабілеті пайдалы генетикалық маркер болып табылады. Реципиент ағза жасушаларына гендерді тасымалдау. Плазмидаға құрылған гендерді беру коньюгация немесе тасымалдау жолымен жүзеге асырылады. Егер гендер вирустың геномына құрылса, онда ақпаратты тасудың ең тараған тәсілі тасымалдау болып табылады.

Тасымалдау – жасуша белгілерінің өзгерісін тудыратын реципиент жасушаға плазмидті және бос ДНҚ – ның тасымалдануы. Бұл кезде реципиент хромосомасына немесе қандай да бір хромосомадан тыс генетикалық бірлікке біржіпшелі ДНҚ бөлшегінің рекомбинациясы мен интеграциясы жүреді. Тасымалдануды бактериялар ДНҚ тудыруы мүмкін. Мұны алғаш рет Гриффит пневмококктардан байқаған. Бактерия жасушасына ДНҚ – ның енуі оның өкілетті, яғни сезімтал күйін қажет етеді. Streptococcus және Pneumococcus өкілдерінде, 5 – 10 мД молекулалық салмақпен ақуыздар – өкілеттік факторлары ерекшеленген және тазартылған. Жасушаның өкілеттілігі сондай – ақ сыртқы ортаның шарттарымен де анықталады. Ecoli және В subtillis- те СаСl₂ – мен полиэтиленгликольмен ( ПЭГ) жасышаларды өңдеумен тиімді тасымалдауға қол жеткізіледі.

Жасушаға енетін генетикалық материал жасуша ішілік нуклеозалармен шабуылдануы мүмкін. Бұл жағдайда келесілер табысты тасымалдануға ықпал етеді: 1) нуклеозалардың белсенділігін немесе синтезін бәсеңдету және 2) липосомаларға тасымалдайтын ДНҚ қосу – жасанды жарғақшалы лепидті везикулалар.

Өсімдіктердің және саңырауқұлақтардың, негізінен ашытқылардың тасымалдануын жүргізу үшін, интактілік протопласттарды алу қажет. Тетрциклин антибиотигіне төзімді, ашытқылар осындай тәсілмен алынған. Agrobacterium tumifaciens және өсімдіктер (петуния) протопласттарын бірлесіп өсіру өсімдік жасушаларының ерекше жоғары тиімділікті тасымалдануына алып келеді. СаСl₂ және ПЭГ қатысуында фосфатидилсеринхолестеринділипосомаларға қосқанда, өсімдіктердің жасушалары генетикалықвирус материалымен тасымалдануы мүмкін. Тасымалдау генетикалық ақпартты берудің ең әмбебап жолы болып табылады, ол генетикалық инженерия үшін ең үлкен мәнге ие болған. Коньюгация мен трансфекцияны, гендерді тиімді тасуға арналаған арнайы айлабұйымдармен күрделенген тасымалдаудың нұсқалары ретінде қарастыруға болады. Коньюгация жолымен кейбір плазмидалардың тасымалы ғана жүреді. Бұл жағдайда, ақуызды түтікшелер болып табылатын жыныс бүртікшелерімен бактерияларының бір (еркек донорлық) жасушасынан басқа (әйел, реципиенттік) жасушасына ақпарат көшеді.Конъюгативті тасымалдауды дербес жүзеге асыратын, плазмидтер шеңбері шектелгенімен,конъюгативтік емес плазмидтер, көмекші-плазмидтердің қатысуында, конъюгация жолымен берілуі мүмкін.

Трансфекция ретінде, жасушада вирус бөлшектерінің дамуына алып келетін, фаг немесе вирус гендерінің бүкіл жиынтығының берілісін айтады. Генетикалық инженерияда трансфекцияны жүргізу әдістемесіне бактерияларға қосымша сферопласттардың алынуын, жасушадан тыс нуклеазолардан инкубация ортасын тазалау және трансфекция тиімділігін мәнді жоғарлататын, протаминсульфатпен сәйкестікте сол немесе басқа фагтың тазартылған ДНК-ны қосу жатады. Вирустық табиғаттың сәйкес векторларымен өсімдіктер және жануарлар жасушаларының трансфекциясы протопласттар мен тазартылған ДНК-ды пайдалануда да, сондай-ақ бүтін көпжасушалы ағзалардың (бұл жағдайда көбінесе трансфекция туралы емес, инфекция туралы айтады) немесе ДНК-ның вирус бөлшектерімен зақымдануында да жүргізілуі мүмкін.

Қажетті генге (гендерге) ие болған, реципиент - жасушаларды сәйкестендіру. Тасымалдау, конъюгация немесе трансфекция жүргілілген соң, ген-насанаға ие болатын, жасушаларды сәйкестендіру қажет. Генно-инженериялық жобаның табыстылығы көбінесе пайданылған іріктеу әдісінің тиімділігіне тәуелді болады. Гендердің трансплантациясынан кейін, жасушалардың аздаған бөлігі ғана қажетті генге ие болатынын ескерсек, геннноинженериялық өңдеудегі бұл кезеңнің мәні айқындала түседі. Жасушаларды іріктеу екі кезеңде жүреді.

Бірінші кезең – сәйкесті векторға (генді транспланттауға қызмет ететін) ие болатын, жасушаларды іріктеу. Көбінесе бұл іріктеу, вектор белгіленген, гентикалық маркармен жүргізіледі. Антибиотиктерге орнықтылықтың детерминаттары векторда, антибиотикпен ортаға егу барысында, бұл векторға ие болатын, жасушалармен бактериялық популяцияны байытуғв мүмкіндік береді.

Екінші кезең - вектроға ғана емес, нысана - генге де ие болатын, жасушаларды іздеу. Ол үшін әдістердің екі тобын қолданады:

1) Реципиент-жасушалардың ДНК-ын тікелей талдауға негізделген әдістер: а) ДНК-ың нуклеотидті тізбектілігін анықтау; анықталатын генге болжамды ие болатын, жасушалардан, бұл генге ие болатын,үлескілерді іздеу жүргізілетін, вектор ДНК-ын ерекшеленеді; содан кейін нуклеодидті ген тізбектілігінің секвенделуін жүргізеді; б) жасушалардан бөлінген, қажетті ген немесе оған сәйкесті РНК-ы болуы мүмкін болатын шатырмен ДНК-ның гибридтелуі. Алдын-ала оқшауланған ДНК-ын біртізбекті күйге ауыстырады және біртізбекті ДНК - (немесе РНК) шатырымен өзара әрекетке түсіреді. Одан кейін екітізбекті гибридті ДНК молекулаларының болуын анықтайды.

2) Генмен кодталатын, белгіні сәйкестендіруге негізделген әдістер; а) генмен кодталатын, ферменттер синтезінде болатын, қосылысты түзететін жасушалардың немесе нысана – ген трансляциясының және транспкрипциясының өнімін – ақуызды синтездейтін, жасушаларды тікелей іріктеу-осылайша химерлік плазмидалар қоспасымен тасымалданған, жасушалар популяцияларынан гистидин синтездейтін ашытқылырды осылайша іріктеген; б) нысана - генге ие болған жасушалардың ғана өсуін қолдайтын, селективті орталарды пайдалану; мысалы, р-галактозидаза геніне (лактозаны жоюға қажетті ферментке) ие болатын, жасуша-рецепенттер, көміртектің жалғыз көзі ретінде лактозамен ортада бактерия жасушаларын өсіру жолымен, іріктелуі мүмкін; в)иммуннологиялық детекция: егер рекомбинантты ДНК құрамында анықталатын ген транкрибцияланса және тасымалданса, бірақ ағза фенотипіне ешбір әсер көрсетпесе ғана қолданылады; мысалы, егер ген адамның а-интерферонын коттаса, бактерия жасушалары ризаланып, артынан анти денелермен а-интерферонға анти геннін байланысу реакйиясын жүргізеді.

Генетикалык инженерия және процудент - жана ағзаларды құрастыру. Генетикалық инженерия әдістерінің көмегімен, өте әр түрлі өнімдерді синдездеуге қабілетті, микро ағзалардың жана формалардың, сонымен қатар, өсімдіктен және жануардан алынатын өнімдерді белгіленген жоспар бойынша құрастыруға болады (Н.С.Егоров, В.Д.Самуилов.1985). Бұл кезде микроағзалардың өнімділігін және жоғары өсу жылдамдығын, әртүрлі шикізат түрлерін жоюға қабілеттілігін ескеру қажет биотехнологияның алдындағы кең келешек адам ақуыздарының микробиологиялық смнтез мумкіндігіне жол ашады: осындай тәсілмен соматостатин, интерферондар, инсулин, өсу гармоны алынған.

Жаңа процудент - микроағзаларды құрастыру жолындағы негізгі мәселелер келесілерге негізделген:

1. Өсімдіктен, жануардан және адамзаттан алынған гендер өнімділері оларға бөтен жасуша ішілік ортаға түседі, мұнда микробты протеазалармен ыдырауға ұшырайды. Ерекше тез бірнеше минутта соматостатин секілді қысқа пептидттер гидролизденеді. Микробтың жасушада генноинженерлік ақуыздарды қорғау старатегиясы келесілерге негізделген: а) протеазалар ингибаторларын қолдануға; протеаза ингибиторның синтезіне жауапты, РТ генмен Т4 фагтың ДНК-бөлшегін,негізгі интерферон генін плазмидалар енгізу барысында адамзат интерферонының шығымы 4 есеге өсті (В.И.Таниянин, 1985) ; б) гибридті ақуыз молекуласының құрамында керекті пептидті алуға; в) гендердің амплификациясына (көмірлер санының ұлғаюына); плазмида құрамында адамзат проинсулиннің генін көпреттік қайталау Е.coli жасушасында бұл ақуыз мультимөлшерінің синтезіне алып келеді,ол мономерлік проинсулинге қарағанда,жасуша ішілік протеазалардың әсеріне мәнді түрде орнықты болып шықты.

2. Көп жағдайда трансплантацияланған геннің өнімі егу ортасына босатылмайды және жасуша ішінде жинақталады, бұл оның бөлінуін мәнді қиындатады. Мысалы, Е.coli көмегімен инсулинді алудың қабылданған әдісі жасушалардың ыдырауын және инсулинннің тізбекті тазалануын болжайды. Генетикалық инженерияның сүйікті нысаны Е.coli-ден басқа блонысандарға биотехнологиялардың қайта бағдарлануы да ақталған.Сонымен қатар, Е.coli салыстырмалы аз ағуыздарды эпскреттейді. Сондай-ақ, бұл бактерияның жасуша қабырғасы тосинді зат эндокотиннен тұрады, оны фарманалогиялық мақсаттарда қолданылатын өнімдерден мұқият бөлу қажет. Генетикалық инженерияның нысандары ретінде грамоң бактериялары (Bacillus, staphulococcus, streptomuces, туысының өкілдері) тиімді. Негізінен Bacillus,subtillis дақылды егу ортасына 50-ден астам әр түрлі ақуыздарды бөледі. Оларды қатарына ферменттер,инцептициттер, антибиотиктер кіреді. Сондай-ақ эукароиттық ағзаларда тиімді. Олар артықшылықтар қатарын иеленген, негізінен, ашытқы интерфероны, адамзат ақуызы сияқты, гликолизделген формада синтезделеді (Е.coli жасушаларында синтезделетін интерфероннан ерекшелігі.

3. Көптеген тұқым қуалайтын белгілер бірнеше гендермен котталады, және генноинженерлік өңдеу әрбір гендердің тізбекті трансплантация кезеңінде ие болу керек. Жүзеге асырылған көпгенді жобаның мысалы, шикі мұнайды жоюға қабілеті, Pseudomonas штамын жасау болып табылады. Плазмидалардың көмегімен, октанды, комфораны, ксилолды, нафталинды ыдырататын, ферменттердің гендерімен тізбекті байытылды. Кейбір жағдайларда, бір плазмиданың көмегімен тұтас гендер болктарынын бір уқытта транплантациясы мүмкін болады. Нитрогеназды кешеннің құрылымдық құрамдарына да, сондай-ақ синтездерінің реттелуіне жауап беретін, кем дегенде 17 әр түрлі болуымен ағзаның азотты бекітуге қабілеттілігі анықталады. Қазігі уақытта генетикалық инженерия барлық жандылардың патшалығын игерген. "Бөтен" гендердің фенотиптік өрнектелуі бактерияларда ғана емес, сонымен қатар ашытқыларда, саңырауқұлақтарда, өсімдіктерде, жануарларда да алынған. Гентикалық инженерияның ыңғайлы, жақсы зерттелген және өндірістік құнды нысандары Saccharomyces (шарап, наубайханалық, сыра ашытқылары), Zymomanas (этанол алуға арналған) туыстарының өкілдері, ашытқылар болып табылады. Табысты генноинженерлік өңдеулердің қатарына гепатит вирусының беткі антигенін, а-интерферонды кодтайтын, гендерді ашытқыға енгізу жатады. Антибиотиктердің продуценттері ретінде саңырауқұлақтармен генноинженерлік жұмыстар жүргізіледі. Генетикалық өсімдіктер инженриясының дамытудың магистролді жолдарына келесілер кіреді:

1) басқа өсімдіктерден алынған, гендердің көмегімен қосымша заттармен (зеин, секалин, глутенин, легумин, глиаин, альбулин) өсімдіктерді байыту;

2) ақуызмен байланыстыратын (6-хлорофилл, бисфосфаткарбоксилаза, рибулозо-1,5 гендер негізінде өсімдіктер фотосинтезінің тиімділігін жоғарылату;

3) мысалы, азотты тасымалдауда және қорға жинауда қатысатын, глутамин-синтазаны кодтайтын, гендерді қолданумен, азотты метаболизмді өзгерту;

4) Гербицидтерге, топырақтардың тұздануына, жоғары және төмен температураларға, сыртқы ортаның басқа жайсыз факторларына төзімділікті беру.

Сонымен қатар, өсімдіктер адамының ақуыздарын-инсулинді, интерферонды, өсу гармонын алу үшін қолданыла алады.

Генетикалық өсімдіктер инженериясы жасушалардың ядролық генонымен ғана емес, сонымен қатар, митохондриялардың және хлоропласттардың генонымен де манипуляцияларға ие болады. Өсімдіктің азотты тыңайтқыштарға мұқтаждығын жою үшін, хлоропластты геномға азотфикация генін енгізген өте тиімді. Біздің уақытта гентикалық векторлардың және бұл векторлардан тұратын, өсімдіктердің биотехнологтардың қадағалауынан шығып кету мүмкіндігі қауіп төндіреді. Біріншіден, генноинженерлік дәнді дақыл өсімдіктерінің арам шөптерге түрлену қаупі айтылады. Басқа өсімдіктерге залал келтіре отырып,табиғатта тез таралуға қажетті белгілердің, "арам шөптіліктің" кешені - тұқымдарды себудің тиімді механизмдері, сыртқы ортаның жайсыз факторларына бейімделу, т.б. – бір немесе бірнеше гендерді трансплантациясына байланысқан гербинидтерге төзімділік егу айналымдарында мәселелер тудыруы мүмкін: белгіленген егу алаңында егілген гербицидтерге төзімді өсімдік, оны алмастырған ауылшаруашылық дақылына қатысты, келесі жылда арамшөп болып табылады, оған гербицидтердің күші жетпейді.

Екінші қауіп-гентикалық түр өзгерістен туындаған, биохимиялық өзгерістер өсімдікте тақамдық немесе азықтық құндылықтың жойылуына және тіпті улы болуына алып келуі мүмкін.

№ 5,6 Дәріс. Жасушалық инженерия.

1. Гибридті жасушаларды алу кезеңдері.

2. Жасушалардың қосылу әдістерінің мүмкіншіліктері.

3. Гибридті технология.

4. Өсімдік сұрыптары мен микроорганизмдер штамдарының жаңа түрлерін шығару және бар түрлерін жақсарту.