3.1. Генная и клеточная инженерия
Двадцать первый век часто называют веком биологии, имея в виду, что прикладное значение открытий, сделанных за последние десятилетия в биологии, и, в первую очередь, в таких науках как генетика и молекулярная биология. Последние, в свою очередь, являются теоретической основой для таких прикладных дисциплин как генная и клеточная инженерия.
Генная инженерия, или технология рекомбинантных ДНК - это изменение с помощью биохимических и генетических методик хромосомного материала - основного наследственного вещества клеток. Известно, что хромосомный материал состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Биологи изолируют те или иные участки ДНК, соединяют их в новых комбинациях и переносят из одной клетки в другую. В результате удается осуществить такие изменения генома, которые естественным путем вряд ли могли бы возникнуть. Фактически генная инженерия занимается тем, что берет гены и части ДНК одного вида, например, рыбы, и пересаживает их в клетки другого, на- мер, помидора. Для этого генная инженерия располагает набором различных технологий для того, чтобы разрезать ДНК произвольно или в определенных участках гена. Выделив сегмент ДНК, можно его изучать, размножать или склеивать с ДНК других клеток и организмов. Генная инженерия позволяет преодолеть межвидовые барьеры и перемешивать информацию между абсолютно не связанными между собой видами.
В настоящее время научились уже переносить гены от одного животного к другому и от животного к растениям. Получены "трансгенные" мыши, свиньи, овцы, коровы и рыбы. ДНК можно прямо инъецировать в оплодотворенное яйцо вида- еципиента, или можно использовать в качестве переносчика вирус, который, проникнув в клетку, внесет с собой и нужный ген. Третий метод связан с использованием неспециализированных стволовых (т.е. родоначальных) клеток эмбриона. Гены вводят в стволовые клетки путем инъекции или с помощью вируса, и полученные в результате трансгенные клетки инъецируют другому зародышу, который включает эти чужие клетки в свои ткани. Гены человека вводили и в растения, например в табак, в надежде получить таким способом большие количества нужных белков, в частности антител и ферментов. В этих экспериментах перенос генов оказался довольно простым делом. Была придумана специальная "генная пушка", выстреливающая ДНК прямо в листья растений.
Практическое применение генной инженерии. Современные технологии позволяют синтезировать гены, и с помощью таких синтезированных генов, введенных в бакте- , получают ряд весьма важных биологических веществ. Их производство составило важную отрасль биотехнологии.
Методом генной инженерии уже получен уже ряд препаратов, в том числе инсулин человека и противовирусный препарат интерферон. И хотя эта технология еще только разрабатывается, она сулит достижение огромных успехов и в медицине, и в сельском хозяйстве. В медицине, например, это весьма перспективный путь создания и производства вакцин. В сельском хозяйстве с помощью рекомбинантной ДНК могут быть получены сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомымвредителям и гербицидам.
Интерферон - белок, синтезируемый организмом в ответ на вирусную инфекцию, изучают сейчас как возможное средство лечения рака и СПИДа. Понадобились бы тысячи литров крови человека, чтобы получить такое количество интерферона, какое дает всего один литр бактериальной культуры. Ясно, что выигрыш от массового производства этого вещества очень велик. Очень важную роль играет также получаемый на основе микробиологического синтеза инсулин, необходимый для лечения диабета. Методами генной инженерии удалось создать и ряд вакцин, которые испытываются сейчас для проверки их эффективности против вызывающего СПИД вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). С помощью рекомбинантной ДНК получают в достаточных количествах и человеческий гормон роста, единственное средство лечения редкой детской болезни - гипофизарной карликовости.
Еще одно перспективное направление в медицине, связанное с рекомбинантной ДНК, - т.н. генная терапия. В этих работах, которые пока еще не вышли из экспериментальной стадии, в организм для борьбы с опухолью вводится сконструированная по методу генной инженерии копия гена, кодирующего мощный противоопухолевый фермент. Генную терапию начали применять также для борьбы с наследственными нарушениями в иммунной системе.
В сельском хозяйстве удалось генетически изменить десятки продовольственных и кормовых культур. В животноводстве использование гормона роста, полученного биотехнологическим путем, позволило повысить удои молока; с помощью генетически измененного вируса создана вакцина против герпеса у свиней.
Генная терапия. В последнее десятилетие в биомедицинскую практику вошло понятие генной терапии. Под генной терапией понимается комплекс методов, позволяющих вводить "лечебные" гены в клетки живого организма для компенсации существующих и профилактики возможных патологических процессов.
В настоящее время проводятся широкие клинические испытания генотерапевтических подходов в лечении таких заболеваний, как рак, иммунодефицит и др. Эту деятельность следует приветствовать и поддерживать, чтобы, если вы, к несчастью, не имеете "хороших" генов от рождения, в один прекрасный день смогли бы купить их в ближайшей аптеке [6].
Но есть и оборотная сторона медали. Несмотря на явную пользу от генетических исследований и экспериментов, само понятие "генная инженерия" породило различные подозрения и страхи, стало предметом озабоченности и даже политических споров. Мно- гие опасаются, например, что какойнибудь вирус, вызывающий рак у человека, будет введен в бактерию, обычно живущую в теле или на коже человека, и тогда эта бактерия будет вызывать рак. Возможно также, что фрагмент ДНК, несущий ген устойчивости к лекарственным препаратам, введут в пневмококк, в результате чего пневмококк станет устойчивым к антибиотикам и пневмония не будет поддаваться лечению. Такого рода опасности, несомненно, существуют.
В современной генной терапии в ряде случаев в качестве векторов для доставки генов используются модифицированные вирусы, которые в естественных условиях в ходе инфекции используют клетки организма для саморепликации, что в итоге приводит к раз- ушению зараженных клеток и высвобождению миллионов копий исходного вируса.
наверх
В естественных условиях борьбу с вирусами осуществляет система иммунитета, которая узнает зараженные клетки и уничтожает их еще до образования вирусного потомства. В генной терапии вирусы модифицируются таким образом, что они теряют способность к размножению в клетках организма. В их геноме исключается некоторый участок, существенный для репликации вируса. Вместо него вставляется "лечебный" ген. Такой вирус способен проникать в клетки и обеспечивать экспрессию гена, ответственно- го за терапевтический эффект, при этом не происходит размножения вируса и, следовательно, разрушения клетки. Тем не менее, иммунная система воспринимает такие клетки как чужеродные и уничтожает их. С этим связана одна из основных проблем современной генотерапии, так как для устойчивого терапевтического действия введенного гена необходима его длительная экспрессия. Поэтому усилия многих научных лабораторий направлены на преодоление этого иммунного барьера. С этой целью в геном вируса вводятся дополнительные гены, продукты которых обладают иммуносупрессивным, т.е. подавляющим иммунитет действием. Придание иммуносупрессивных свойств вирусным векторам также важно в генной терапии аутоиммунных заболеваний, в частности такого, как ревматоидный артрит.
Опасности генной терапии связаны с попаданием таких модифицированных вирусов в природную среду. При этом существует вероятность обмена генетической информации с вирусом дикого типа, что приведет к образованию нового вируса, способного разрушать клетки организма - вируса, который остается "невидимым" для иммунной системы. Если представить, что такой вирус будет передаваться воздушнокапельным путем, а симптомы будут проявляться только через период времени, в течение которого невозможно осуществлять тотальный карантин (например, один месяц), то последствия для человечества и биосферы могут стать катастрофическими. Генетические исследования ведутся серьезными и ответственными учеными, а методы, позволяющие свести к минимуму возможность случайного распространения потенциально опасных микробов, все время совершенствуются. Оценивая возможные опасности, которые эти исследования в себе таят, следует сопоставлять их с подлинными трагедиями, вызванными недоеданием и болезнями, губящими и калечащими людей.
наверх
- Концепции современного естествознания Лекция 1. Тема: Введение в дисциплину.
- 1. Естествознание. Определение и содержание понятия. Задачи естествознания
- 2. Взаимосвязь естественных наук. Редукционизм и холизм.
- 3. Фундаментальные и прикладные науки. Технологии
- 4. Тезис о двух культурах.
- Лекция 2. История развития естествознания
- 1. Этапы (стадии) познания природы
- 2. Глобальные естественнонаучные революции
- Роль космологии в естественнонаучных революциях
- Концепции современного естествознания Лекция 3. Методология научных исследований
- 1. Понятие методологии и метода
- 2. Методы научного познания 2.1. Общенаучные методы
- 2. Методы эмпирического и теоретического познания
- 3. Формы научного знания
- 4. Процесс научного познания
- 5. Критерии истинности научного знания
- Лекция 4. Механика и методология Ньютона
- 1. Движение - одна из основных проблем естествознания
- 2. Механика Галилея как основа механики Ньютона
- 3. Механика Ньютона
- 4. Ньютоновская методология исследований
- 5. Оптика Ньютона – предвосхищение современной концепции о двойственной природе света
- Лекция 5. Механическая картина мира (мкм)
- 1. Понятие научной картины мира
- 2. Формирование механической картины мира (мкм)
- 3. Основные понятия и законы мкм
- 4. Основные принципы мкм
- Лекция 6. Термодинамическая картина мира (I)
- 1. Промышленная революция и развитие теории теплоты
- 2. Работа в механике. Закон сохранения и превращения энергии в механике
- 3. Теплородная и кинетическая теория теплоты
- 4. Термодинамика и статистическая физика
- Лекция 7. Термодинамическая картина мира (II). Второе начало термодинамики
- 1. Идеальный цикл Карно.
- 2. Энтропия. Термодинамическая трактовка.
- 3. Энтропия. Вероятностная трактовка.
- Лекция 8. Термодинамическая картина мира (III). Стрела времени
- 1. Вероятность как атрибут больших систем.
- 2. Стрела времени
- 3. Проблема тепловой смерти Вселенной и флуктуационная гипотеза Больцмана.
- Лекция 9. Электромагнитная картина мира (эмкм)
- 1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма.
- 2. Теория электромагнитного поля д. Максвелла
- 3. Электронная теория Лоренца.
- Лекция 10. Специальная теория относительности. Основные идеи общей теории относительности
- 1. Проблема равноправия инерциальных систем отсчета и мирового эфира.
- 2. Постулаты и основные следствия сто
- 3. Относительность промежутка времени:
- 3. Основные идеи общей теории относительности.
- 1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.
- 2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.
- 3. Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений.
- 4. Основные понятия и принципы эмкм
- Лекция 11. Квантово-полевая картина мира (кпкм)
- 1. Формирование идеи квантования физических величин
- 2. Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества.
- 3. Соотношения неопределенностей Гейзенберга
- 4. Основные понятия и принципы кпкм
- Лекция 12. Многообразие и единство мира
- 1. Структурные уровни материи
- 2. Элементарные частицы, фундаментальные частицы и частицы – переносчики фундаментальных взаимодействий
- 3. Атомное ядро
- 4. Молекулы и реакционная способность веществ.
- 5. Макроскопические тела. Фазовые переходы.
- Лекция 13. Мегамир, основные космологические и космогонические представления (I)
- 1. Основные представления о мегамире
- 2. Солнечная система
- 3. Гипотезы о происхождении планет Солнечной системы
- Лекция 14. Мегамир. Основные космогонические представления (II)
- 1. Звезды, их характеристики, источники энергии
- 2. Галактики и метагалактики
- 3. Структура и геометрия Вселенной
- Лекция 15. Мегамир, основные космогонические представления (III)
- 1. Эволюция звезд
- 2. Возникновение Вселенной. Теория Большого Взрыва
- 3. Антропный принцип.
- Лекция 16. Химическая эволюция Земли
- 1. Химическая эволюция Земли
- 2. Понятие самоорганизации в химии.
- 3. Общая теория химической эволюции и биогенеза
- Лекция 17. Специфика живого
- 1. Предмет изучения, задачи и методы биологии
- 2. Специфика и системность живого
- 3.Уровни организации живых систем
- Лекция 18. Термодинамика живых систем. Жизнь как информационный процесс.
- 1. Термодинамика живых систем
- 2.Управление и регулирование в живых системах 2.1 Задачи управления и регулирования
- 2.2 Информационные связи внутри организма
- 2.3 Цели и специфика управления в живых системах
- Лекция 19. Концепция эволюции в биологии
- 1. Эволюционная теория Дарвина – Уоллеса
- 2 Современная (синтетическая) теория эволюции
- Лекция 20. Человек
- 1. Место человека в системе животного мира и антропогенез
- 2. Основные этапы развития человека разумного
- 3. Дифференциация на расы. Расы и этносы
- 4. Эколого-эволюционные возможности человека
- 5. Биосоциальные основы поведения
- Лекция 21. Биосфера и цивилизация
- 1. Биосфера и место человека в биосфере
- 2. Антропогенный фактор и глобальные экологические проблемы
- 3. Негэнтропийный взгляд на экологические проблемы
- Лекция 22. Основные концепции и перспективы биотехнологии
- 1. Микробиология
- 2. Инженерная энзимология
- 3. Перспективы биотехнологии и проблемы биологической безопасности. Биоэтика
- 3.1. Генная и клеточная инженерия
- 3.2. Евгеника
- 3.3. Клонирование
- 3.4. Расшифровка генома человека
- 3.5. Биоэтика
- Контрольные вопросы
- Литература
- Лекция 23. Принципы симметрии в научной картине мира
- 1. Понятие симметрии
- 2. Симметрия пространства – времени и законы сохранения
- 3. Симметрия и асимметрия живого
- 4. Нарушение симметрии как источник самоорганизации
- Лекция 24. Эволюционно-синергетическая парадигма
- 1. Концепция самоорганизации в науке
- 2. Основные понятия и принципы синергетики
- Лекция 25. Эволюционно-синергетическая парадигма (продолжение)
- 1. Примеры самоорганизации в неживой природе
- 2. Самоорганизация в социальных системах
- Лекция 26. Естествознание в мировой культуре
- 1. Проблема двух культур
- 2. Перспективы интеграции знаний в науке будущего
- Рабочая программа по учебной дисциплине "Концепции современного естествознания" для направлений 521500, 521600, 522000, специальностей 060300,060400,060800,0,6100, 061400
- 1. Цели и задачи курса
- 2. Требования к знаниям
- 3. Структура и объем курса
- 4. Содержание дисциплины
- Тема 1. Две культуры как отражение двух типов мышления
- Тема 2. Физика глазами гуманитария. Физические картины мира.
- Тема 3. Физика как целое.
- Тема 4. Жизнь. Биологическая картина мира.
- Тема 5. Биосфера и цивилизация
- Тема 6. Основные концепции и перспективы биологии
- Тема 7. Эволюционно-синергетическая парадигма
- 5. Перечень лабораторных работ (по 4 час.)
- 6. Перечень практических и семинарских занятий
- 7. Расчет часов по темам (для 522000, 061400)
- 8. Методические рекомендации
- 9. Литература
- 4.1 Основная
- 4.2 Дополнительная
- Лабораторная работа №1. Фрактальные структуры в окружающем мире
- 1. Теоретический материал
- 1.1 Фрактальные структуры
- 1.2 Фрактальная размерность
- 1.3. Фрактальные кластеры
- 2. Порядок выполнения работы
- Наверх Лабораторная работа №2. Дискретные модели динамических систем. Клеточные автоматы
- 1. Теоретический материал
- 1.1. Представление сложных динамических процессов в виде дискретных систем
- 1.2. Моделирование процесса роста с помощью клеточного автомата
- 2. Выполнение лабораторной работы