Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

6.8: Біотехнологія

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    5711

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Будь ласка, передайте картоплю

    Можливо, ви захочете передати рослини картоплі, зображені праворуч на малюнку\(\PageIndex{1}\). Вони заражаються вірусом, який швидко вбиває їх. Рослини картоплі зліва здорові і продуктивні. Чому вони не заражені тим самим вірусом? Рослини зліва були сконструйовані генетично, використовуючи методи біотехнології, щоб зробити їх стійкими до вірусу.

    Генетично модифіковані рослини картоплі
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Трансгенна картопля

    Що таке біотехнологія?

    Біотехнологія - це використання технологій для зміни генетичного складу живих істот для людських цілей. Як правило, метою біотехнології є модифікація організмів, щоб вони були більш корисними для людини. Наприклад, біотехнологія може бути використана для створення культур, які дають більше їжі або протистоять комахам-шкідникам чи вірусам, таким як картопля, стійка до вірусів, зображена вище. Також ведуться дослідження з використання біотехнології для лікування генетичних порушень людини за допомогою генної терапії.

    Методи біотехнології

    Біотехнологія використовує різні методи для досягнення своїх цілей. Двома часто використовуваними методами є клонування генів та полімеразна ланцюгова реакція.

    Клонування генів

    Етапи клонування генів
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Зображення ілюструє етапи клонування генів. Спочатку в плазміду вставляється цікава ДНК, а потім рекомбінантна плазміда вставляється в бактерії. Успішно перетворені бактерії відбираються і вирощуються для отримання цікавить білка.

    Клонування генів - це процес виділення та виготовлення копій гена. Це корисно для багатьох цілей. Наприклад, клонування генів може використовуватися для виділення та створення копій нормального гена для генної терапії. Це робиться шляхом введення гена в бактеріальну плазміду. Плазмідна ДНК - це кругова ДНК, яка не є частиною хромосоми і може відтворюватися самостійно. Клонування генів включає чотири етапи: ізоляція, лігування, трансформація та відбір. Зверніться до малюнка\(\PageIndex{2}\), як ви читаєте нижче:

    1. На етапі ізоляції використовується рестрикційний фермент для розриву ДНК в певній базовій послідовності. Це робиться для виділення гена в чужорідній ДНК. Рестрикційні ферменти в основному виділяються з бактерій, і вони вирізають ДНК лише в певній послідовності в ДНК. Цей конкретний сайт називається місцем обмеження цього конкретного ферменту. Чужорідна ДНК і плазміда розрізаються тим же рестрикційним ферментом. Рестрикційний фермент створює «кінці палиць», які є короткими ділянками однониткової ДНК на місці розрізу.
    2. Під час лігування липкий кінець плазміди ДНК зв'язується з липким кінцем ізольованого гена. Фермент ДНК Лігаза склеює відпалені фрагменти разом. ДНК, що виходить, називається рекомбінантною ДНК.
    3. При перетворенні рекомбінантна ДНК вставляється в живу клітину, як правило, бактеріальну клітину. Зміна організму таким чином називається генною інженерією.
    4. Вибір включає вирощування трансформованих бактерій, щоб переконатися, що вони мають рекомбінантну ДНК. Це необхідний крок, тому що трансформація не завжди буває успішною. Для подальшого використання підбираються тільки бактерії, які містять рекомбінантну ДНК. Для відбору використовується безліч різних методів, такими є гени LacZ і антибіотикорезистентності.

    Полімеразна ланцюгова реакція

    Полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР) робить багато копій гена або іншого сегмента ДНК. Це може бути зроблено для того, щоб зробити велику кількість гена для генетичного тестування. ПЛР включає три етапи: денатурування, відпал та подовження. Три кроки проілюстровані на малюнку\(\PageIndex{3}\). Вони повторюються багато разів за цикл, щоб зробити велику кількість гена.

    1. Денатурування передбачає нагрівання ДНК, щоб розірвати зв'язки, що утримують дві нитки ДНК. Це дає дві окремі нитки ДНК.
    2. Відпал передбачає охолодження окремих ниток ДНК і змішування їх з короткими сегментами ДНК, званими праймерами. Праймери мають базові послідовності, які доповнюють сегменти окремих ниток ДНК. В результаті утворюються зв'язки між нитками ДНК і праймерами.
    3. Розширення відбувається, коли фермент (Taq полімераза або Taq ДНК-полімераза) додає нуклеотиди до праймерів. Це виробляє нові молекули ДНК, кожна з яких включає одну з оригінальних ниток ДНК.
    Етапи полімеразної ланцюгової реакції, денатурація, відпал та подовження
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Полімеразна ланцюгова реакція. Компоненти ПЛР, такі як шаблонна ДНК, праймери, нуклеотиди та полімераза, зібрані в пробірці. Трубка вставляється в апарат, який контролює і змінює температуру трубки під час ПЛР. Полімеразна ланцюгова реакція включає три етапи. На першому кроці температуру збільшують до 94 до 96ºC для денатурації шаблону. На другому етапі температура знижується приблизно до 68ºC, тому грунтовки можуть відпалювати в місці їх доповнення на одножильних шаблонів. Грунтовки обрамляють цільову область на шаблоні. На третьому етапі температура підвищується приблизно до 72ºC, тому полімераза Taq може подовжити пасмо від праймера для створення нових фрагментів ДНК. Фермент Taq полімераза використовується в ПЛР, оскільки він витримує високі температури. Ці три кроки повторюються кілька разів для створення експоненціальних копій цільового фрагмента ДНК.

    Гелевий електрофорез

    Гелевий електрофорез - це аналітична методика, яка використовується для поділу фрагментів ДНК за розміром і за рахунок негативного заряду на ДНК. Зверніть увагу на малюнку\(\PageIndex{4}\), що «гелі» мають прямокутну форму. Гелі виготовляються з желатиноподобного матеріалу або агарози, або поліакриламіду. Електричне поле, з позитивним зарядом, нанесеним на один кінець гелю, і негативним зарядом на іншому кінці змушує осколки мігрувати через гель. Молекули ДНК мігрують від негативних до позитивних зарядів через чистий негативний заряд фосфатних груп в кістці ДНК. Довші молекули повільніше мігрують через гелеву матрицю. Після завершення поділу фрагменти ДНК різної довжини можуть бути візуалізовані за допомогою флуоресцентного барвника, специфічного для ДНК, такого як бромід етидію. Отриманий вітражний гель показує смуги, що відповідають молекулам ДНК різної довжини, які також відповідають різним молекулярним масам. Розмір смуги зазвичай визначають шляхом порівняння з ДНК-сходами, що містять фрагменти ДНК відомої довжини. Гелевий електрофорез також може використовуватися для поділу молекул РНК і білків.

    Гелевий електрофорез в ДНК-дактилоскопії
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Це діаграма, яка ілюструє процес електрофорезу гелю для зняття відбитків пальців ДНК. ДНК-дактилоскопія і дуже корисна при розслідуванні злочинів, оскільки кожна людина має різні зразки ДНК на зображенні, яке ви бачите 6 кроків. ДНК можна витягти з будь-якого зразка рідини організму (тобто крові, сперми або слини). ДНК змішується з рестрикційними ферментами і ампліфікується ПЛР. (2 і 3.) Суміш фрагмента ДНК плюс рестрикційний фермент додається в лунки агарозного гелю, що призводить до фізичної зміни замість хімічного. Електричний струм подається на гель від джерела живлення. Негативно заряджена ДНК рухається в сторону позитивної сторони. Більші фрагменти рухаються повільніше і розташовані біля верхньої частини, тоді як менші фрагменти рухаються швидше і знаходяться поблизу дна. Смуги забарвлені, але різні відтінки вказують на кількість ДНК, яку містить кожна смуга.

    Використання біотехнології

    Методи біотехнології можуть використовуватися для багатьох практичних цілей. Вони широко використовуються як в медицині, так і в сільському господарстві.

    Застосування в медицині

    На додаток до генної терапії генетичних порушень, біотехнології можуть бути використані для перетворення бактерій, щоб вони могли виробляти людські білки. Білки, вироблені бактеріями, вводяться людям, які не можуть їх виробляти через мутації.

    Інсулін був першим людським білком, який вироблявся таким чином. Інсулін допомагає клітинам забирати глюкозу з крові. Люди з діабетом 1 типу мають мутацію в гені, який зазвичай кодує інсулін. Без інсуліну їх глюкоза в крові підвищується до шкідливо високого рівня. В даний час єдиним методом лікування діабету 1 типу є ін'єкція інсуліну з зовнішніх джерел. До недавнього часу не було відомого способу зробити людський інсулін поза людським організмом. Проблема вирішувалася клонуванням генів. Ген інсуліну людини був клонований і використаний для перетворення бактеріальних клітин, які потім могли виробляти велику кількість людського інсуліну.

    Застосування в сільському господарстві

    Біотехнологія була використана для створення трансгенних культур. Трансгенні культури генетично модифіковані новими генами, які кодують риси, корисні для людини. Трансгенні культури були створені з різноманітними різними ознаками, такими як отримання більшої кількості їжі, кращий смак, переживання посухи, переносимість солоного ґрунту та протистояння комахам-шкідникам. Вчені навіть створили трансгенний фіолетовий томат (рис.\(\PageIndex{5}\)), який містить високий рівень сполук, що борються з раком, які називаються антиоксидантами.

    сорти томатів
    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Трансгенні фіолетові помідори: Фіолетові помідори генетично модифіковані, щоб містити високий рівень антиоксидантів. Ген з'єднання був перенесений в звичайну рослину червоного томата.

    Етичні, правові та соціальні питання

    Використання біотехнології підняло низку етичних, правових та соціальних питань. Ось лише деякі з них:

    • Хто володіє генетично модифікованими організмами, такими як бактерії? Чи можуть такі організми бути запатентовані як винаходи?
    • Чи безпечно їсти генетично модифіковані продукти? Чи можуть вони мати невідомий шкідливий вплив на людей, які їх споживають?
    • Чи є генетично інженерні культури безпечними для навколишнього середовища? Чи можуть вони завдати шкоди іншим організмам або навіть цілим екосистемам?
    • Хто контролює генетичну інформацію людини? Які гарантії гарантують, що інформація залишається приватною?
    • Як далеко ми повинні піти, щоб діти були вільними від мутацій? Чи повинна закінчитися вагітність, якщо у плода є мутація для серйозного генетичного захворювання?
    • Чи можемо ми розвивати види сільськогосподарських культур, які забезпечують більше поживних речовин і ростуть у більш суворому кліматі? Якщо так, то як ми забезпечуємо доступ до них фермерів у збіднілих районах?
    • Як ми навчаємо громадськість, щоб вони могли приймати обґрунтовані рішення щодо нових технологій?

    Як суспільству, нам потрібно буде збалансувати переваги та занепокоєння нових технологій.

    Характеристика: Надійні джерела

    Генетично модифіковані продукти, або ГМ-продукти, - це продукти, вироблені з генетично модифікованих організмів. Це організми, які мали зміни, внесені в їх ДНК за допомогою методів біотехнології. Комерційний продаж ГМ-продуктів почався в 1994 році, з помідор, який затримав дозрівання. До 2015 року три основні культури, вирощені в США, були зібрані переважно з ГМ-насіння, включаючи польову кукурудзу, сою та бавовну. Багато інших культур також були вирощені з ГМ-насіння, починаючи від різних овочів і закінчуючи цукровим буряком. Інші джерела ГМ-продуктів у нашому раціоні включають м'ясо, яйце та молочні продукти від тварин, які їли ГМ-корм, а також безліч харчових продуктів, які містять певну форму соєвих або кукурудзяних продуктів, таких як соєва олія, соєве борошно, кукурудзяна олія, кукурудзяний крохмаль та кукурудзяний сироп. Швидкий погляд на список інгредієнтів більшості оброблених продуктів показує, що ці продукти додаються до багатьох елементів у типовій американській дієті.

    Більшість вчених вважають, що ГМ-продукти не є більш ризикованими для здоров'я людини, ніж звичайні продукти. Тим не менш, в багатьох країнах, в тому числі США, ГМ-продукти отримують більш суворі оцінки, ніж звичайні продукти харчування. Наприклад, ГМ-продукти оцінюються на токсичність, здатність викликати алергічні реакції, стабільність вставлених генів. ГМ-культури також оцінюються для можливих екологічних наслідків, таких як перехрещування, який є міграцією генів від ГМ-рослин до звичайних культур або видів диких рослин.

    Незважаючи на додаткові заходи, що використовуються для оцінки ГМ-продуктів, існує велика громадська стурбованість з приводу них, в тому числі, чи є вони безпечними для здоров'я людини, як вони марковані, і їх вплив на навколишнє середовище. Ці проблеми засновані на ряді факторів, таких як тривожне переконання, що вчені створюють абсолютно нові види і сприймається відсутність користі для споживача ГМ-продуктів. Люди також можуть сумніватися в обґрунтованості оцінок ризику, особливо щодо довгострокових наслідків. Також, оскільки всі дослідження з безпеки та корисності представлені в наукових журналах, громадськості може бути важко бути повністю поінформованим про виконувану роботу.

    За останні 50 років було проведено багато сотень досліджень, присвячених тому, як ці культури впливають на навколишнє середовище, економіку та здоров'я людей і тварин. Результати більшості цих досліджень досить чіткі. Але більшість людей не читають оригінальні висновки, тому що їх занадто багато і тому, що їх важко зрозуміти. Національна академія наук написала звіт, в якому підсумовуються результати досліджень, а також громадські коментарі.

    Вони пояснюють причину написання доповіді: «Споживачі в Сполучених Штатах і за кордоном отримують суперечливу інформацію про ГМ-культури. Прихильники tout переваги в той час як противники підкреслити ризики. Була потреба в незалежному, об'єктивному дослідженні, щоб вивчити те, що було вивчено про ГМ-культур, оцінює, чи були реалізовані початкові проблеми та обіцянки з моменту їх введення, і досліджує нові проблеми та останні претензії».

    Рецензія

    1. D визначити біотехнології.
    2. Що таке рекомбінантна ДНК?
    3. Визначте етапи клонування генів.
    4. Для чого потрібна полімеразна ланцюгова реакція?
    5. Складіть блок-схему, яка викладає кроки, що беруть участь у створенні трансгенного врожаю.
    6. Поясніть, як бактерії можуть бути генетично сконструйовані для отримання людського білка.
    7. Визначте етичну, юридичну або соціальну проблему, порушену біотехнологією. Викладіть свій погляд на проблему та розробте логічний аргумент, який підтверджує свою думку.
    8. Поясніть, що таке праймери і що вони роблять в ПЛР.
    9. Що таке гелевий електрофорез?
    10. Правда чи брехня. Трансгенні культури можуть бути створені за допомогою рекомбінантної ДНК.
    11. Правда чи брехня. Клонування генів визначається як створення ідентичної копії всього організму.
    12. Фермент Taq полімераза спочатку був ідентифікований з бактерій, які живуть у дуже жарких середовищах, таких як гарячі джерела. Чому цей факт робить Taq полімеразу особливо корисною в реакціях ПЛР?
    13. Круговий шматок ДНК від бактерій, який часто використовується для створення рекомбінантної ДНК, називається ________ _.
    14. Якими способами культури модифікуються генетично? Які риси вносяться, і які методи використовуються для їх введення?
    15. Які основні питання безпеки людини про ГМ-продукти? Як оцінюється безпека людини ГМ-продуктів?
    16. Які основні екологічні проблеми щодо ГМ-культур? Як проводиться оцінка ризиків для навколишнього середовища?
    17. Які основні плюси і мінуси ГМ-культур і продуктів харчування? На кого найбільше впливають ці плюси і мінуси? Наприклад, для професіоналів, чи отримують більшу частину переваг виробники та маркетологи, чи споживачі також отримують винагороду?
    18. Що з перерахованого нижче є можливим використанням біотехнології, зараз чи в майбутньому?
      1. Лікування генетичних порушень
      2. Створення трансгенних культур, стійких до шкідників
      3. Виробництво людських білків у клітині, що не є людиною
      4. Все вищесказане
    19. Кажуть, що бактерії, що містять рекомбінантну плазміду:
      1. Трансформований
      2. Перекладено
      3. транскрипція
      4. Трансгенна культура

    Дізнатися більше

    https://bio.libretexts.org/link?17036#Explore_More

    Атрибуції

    1. Картопля з ГМО ліцензією CSIRO CC BY 3.0 через Wikimedia Commons
    2. Молекулярне клонування OpenStax, ліцензований CC BY 3.0 через Wikimedia Commons
    3. ПЛР за допомогою Ензоклопа, CC BY-SA 3.0 через Вікісховище
    4. Гелевий електрофорез від Jennifer0328, CC BY-SA 4.0 через Wikimedia Commons
    5. Помідори, випущені у суспільне надбання через Вікісховище
    6. Текст адаптований з біології людини CK-12 ліцензований CC BY-NC 3.0