Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

10.2: Біотехнології в медицині та сільському господарстві

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    445

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

    Неважко помітити, як біотехнології можна використовувати в лікувальних цілях. Знання генетичного складу нашого виду, генетичної основи спадкових захворювань та винаходу технології маніпулювання та фіксації мутантних генів забезпечує методи лікування захворювань. Біотехнологія в сільському господарстві може підвищити стійкість до хвороб, шкідників, і екологічного стресу, щоб поліпшити врожайність і якість.

    Генетична діагностика та генна терапія

    Процес тестування на підозру на генетичні дефекти перед проведенням лікування називається генетичною діагностикою шляхом генетичного тестування. У деяких випадках, коли генетичне захворювання є в сім'ї індивіда, членам сім'ї може бути рекомендовано пройти генетичне тестування. Наприклад, мутації в генах BRCA можуть збільшити ймовірність розвитку раку молочної залози і яєчників у жінок і деяких інших видів раку у жінок і чоловіків. Жінку з раком молочної залози можна пройти обстеження на наявність цих мутацій. Якщо виявлена одна з мутацій високого ризику, її родичі жінки також можуть захотіти пройти обстеження на наявність цієї конкретної мутації або просто бути більш пильними щодо виникнення ракових захворювань. Генетичне тестування також пропонується для плодів (або ембріонів із заплідненням in vitro) для визначення наявності або відсутності хвороботворних генів у сім'ях із специфічними виснажливими захворюваннями.

    ПОНЯТТЯ В ДІЇ

    QR-код, що представляє URL-адресу

    Подивіться, як видобувається ДНК людини для таких цілей, як генетичне тестування.

    Генна терапія - це методика генної інженерії, яка одного разу може бути використана для лікування певних генетичних захворювань. У найпростішій формі він передбачає введення немутованого гена у випадковому місці в геномі, щоб вилікувати захворювання шляхом заміни білка, який може бути відсутнім у цих осіб через генетичну мутацію. Немутований ген зазвичай вводиться в хворі клітини як частина переносника, що передається вірусом, таким як аденовірус, який може заразити клітину-хазяїна і доставити чужорідну ДНК в геном цільової клітини (рис \(\PageIndex{1}\)). На сьогоднішній день генна терапія була в першу чергу експериментальними процедурами у людини. Деякі з цих експериментальних методів лікування були успішними, але методи можуть бути важливими в майбутньому, оскільки фактори, що обмежують його успіх, вирішуються.

    Ілюстрація, що показує вірус, що містить вірусну ДНК у поєднанні зі здоровим немутованим геном. Вірус потрапляє в цільовий виклик і впорскує немутований ген в ядро клітинки-мішені.
    Малюнок \(\PageIndex{1}\): На цій діаграмі показані кроки, пов'язані з лікуванням захворювання генною терапією за допомогою аденовірусного вектора. (кредит: зміна роботи NIH)

    Виробництво вакцин, антибіотиків та гормонів

    Традиційні стратегії вакцинації використовують ослаблені або неактивні форми мікроорганізмів або вірусів для стимуляції імунної системи. Сучасні методики використовують специфічні гени мікроорганізмів, клонованих в вектори і масово виробляються в бактеріях, щоб зробити велику кількість специфічних речовин для стимуляції імунної системи. Речовина потім використовується в якості вакцини. У деяких випадках, таких як вакцина від грипу H1N1, гени, клоновані вірусом, використовувались для боротьби з постійно мінливими штамами цього вірусу.

    Антибіотики вбивають бактерії і природним чином виробляються мікроорганізмами, такими як гриби; пеніцилін - мабуть, найвідоміший приклад. Антибіотики виробляються у великих масштабах шляхом культивування та маніпулювання грибковими клітинами. Грибкові клітини, як правило, генетично модифіковані для поліпшення врожайності антибіотичної сполуки.

    Рекомбінантна технологія ДНК була використана для отримання широкомасштабних кількостей людського гормону інсуліну в кишковій паличці ще в 1978 році. Раніше лікувати діабет можна було тільки свинячим інсуліном, який викликав алергічні реакції у багатьох людей через відмінності в молекулі інсуліну. Крім того, гормон росту людини (ГОРМОН РОСТУ) використовується для лікування порушень росту у дітей. Ген HGH був клонований з бібліотеки кДНК (комплементарна ДНК) і вставлений в E. coli клітин шляхом клонування його в бактеріальний вектор.

    Трансгенні тварини

    Хоча кілька рекомбінантних білків, що використовуються в медицині, успішно виробляються в бактеріях, деякі білки потребують еукаріотичного господаря тварин для правильної обробки. З цієї причини гени були клоновані та виражені у таких тварин, як вівці, кози, кури та миші. Тварин, які були модифіковані для експресії рекомбінантної ДНК, називаються трансгенними тваринами (рис. \(\PageIndex{2}\)).

    На фото зображено 3 мишки під ультрафіолетом. Всі три мають біле хутро, яке виглядає фіолетовим при ультрафіолетовому світлі. Середня миша не трансгенна і не флуоресцірует. Миші зліва і справа трансгенні, а їх очі, вуха, ніс і хвіст флуоресціруют зеленим під УФ-світлом.
    Малюнок \(\PageIndex{2}\): Видно, що дві з цих мишей трансгенні, оскільки вони мають ген, який змушує їх флуоресцировать під ультрафіолетовим світлом. Нетрансгенна миша не має гена, який викликає флуоресценцію. (Кредит: Інгрід Моен та ін.)

    Кілька людських білків експресуються в молоці трансгенних овець і кіз. В одному комерційному прикладі FDA схвалила антикоагулянтний білок крові, який виробляється в молоці трансгенних кіз для використання у людей. Миші широко використовувались для експресії та вивчення ефектів рекомбінантних генів та мутацій.

    Трансгенні рослини

    Маніпулювання ДНК рослин (створення генетично модифікованих організмів, або ГМО) допомогло створити бажані риси, такі як стійкість до хвороб, гербіцид, і стійкість до шкідників, краще харчова цінність, і кращий термін зберігання (рис \(\PageIndex{3}\)). Рослини є найважливішим джерелом їжі для людської популяції. Аграрії розробили способи відбору сортів рослин з бажаними ознаками задовго до того, як були створені сучасні методи біотехнології.

    Фото качанів кукурудзи з ядрами різної форми і кольору.
    Малюнок \(\PageIndex{3}\): Кукурудза, основна сільськогосподарська культура, яка використовується для створення продукції для різних галузей промисловості, часто модифікується за допомогою біотехнології рослин. (кредит: Кіт Веллер, USDA)

    Трансгенні рослини отримали ДНК від інших видів. Оскільки вони містять унікальні комбінації генів і не обмежуються лабораторією, трансгенні рослини та інші ГМО ретельно контролюються державними установами, щоб переконатися, що вони придатні для споживання людиною та не загрожують життю інших рослин та тварин. Оскільки чужорідні гени можуть поширюватися на інші види в навколишньому середовищі, особливо в пилку і насінні рослин, необхідні великі випробування для забезпечення екологічної стабільності. Скоби, такі як кукурудза, картопля та помідори, були першими рослинними рослинами, які були генетично спроектовані.

    Трансформація рослин за допомогою Agrobacterium tumefaciens

    У рослин пухлини, спричинені бактерією Agrobacterium tumefaciens , відбуваються шляхом перенесення ДНК від бактерії до рослини. Штучне впровадження ДНК в клітини рослин є більш складним завданням, ніж в клітини тварин через товсту клітинну стінку рослин. Дослідники використовували природний перенесення ДНК від Agrobacterium до господаря рослин, щоб ввести вибрані ними фрагменти ДНК у господарів рослин. У природі хвороботворні A. tumefaciens мають набір плазмід, які містять гени, які інтегруються в геном інфікованої рослинної клітини. Дослідники маніпулюють плазмідами, щоб нести потрібний фрагмент ДНК і вставити його в геном рослини.

    Органічний інсектицид Bacillus thuringiensis

    Bacillus thuringiensis (Bt) - бактерія, яка виробляє кристали білка, токсичні для багатьох видів комах, які харчуються рослинами. Комахи, які з'їли токсин Bt, припиняють харчуватися рослинами протягом декількох годин. Після того як токсин активізується в кишечнику комах, смерть настає вже через пару днів. Гени кристалічного токсину були клоновані з бактерії та введені в рослини, тому дозволяючи рослинам виробляти власний кришталевий токсин Bt, який діє проти комах. Токсин Bt безпечний для навколишнього середовища і нетоксичний для ссавців (в тому числі і людини). Як результат, він був схвалений для використання органічними фермерами як природний інсектицид. Однак існує певна стурбованість тим, що комахи можуть розвивати стійкість до токсину Bt так само, як бактерії розвивають стійкість до антибіотиків.

    ФлавриСавр Томатний

    Першою ГМ-культурою, яка була представлена на ринку, став томат FlavrSavr, вироблений в 1994 році. Молекулярно-генетична технологія була використана для уповільнення процесу розм'якшення і гниття, викликаного грибковими інфекціями, що призвело до збільшення терміну зберігання ГМ-томатів. Додаткова генетична модифікація поліпшила смак цього томата. Томат FlavrSavr не успішно залишився на ринку через проблеми зі збереженням і відвантаженням врожаю.

    Резюме

    Генетичне тестування проводиться для виявлення хвороботворних генів і може бути використано на користь постраждалих осіб та їхніх родичів, які ще не розвинули симптоми захворювання. Генна терапія, за допомогою якої функціонуючі гени включаються в геноми осіб з нефункціонуючим мутантним геном, має потенціал для лікування спадкових захворювань. Трансгенні організми володіють ДНК з різних видів, зазвичай генерується методами молекулярного клонування. Вакцини, антибіотики та гормони - приклади продуктів, отриманих за допомогою рекомбінантної технології ДНК. Трансгенні тварини були створені для експериментальних цілей, а деякі з них використовуються для виробництва деяких людських білків.

    Гени вставляються в рослини, використовуючи плазміди в бактерію Agrobacterium tumefaciens, яка заражає рослини. Трансгенні рослини були створені для поліпшення характеристик сільськогосподарських рослин - наприклад, надаючи їм стійкість до комах шляхом введення гена бактеріального токсину.

    Глосарій

    генна терапія
    методика, яка використовується для лікування спадкових захворювань шляхом заміни мутантних генів хорошими генами
    генетичне тестування
    виявлення варіантів генів у людини, які можуть призвести до генетичного захворювання у цієї людини

    Дописувачі та атрибуції