Генетика и ее будущее

Содержание:

Генетика

История открытия генетики

1. Наследственность – свойство организма передачи

наследственных признаков

2. Изменчивость – свойство организма приобретение признаков в жизни

Гены – материальная основа генетики

1. Генотип – система взаимодействия генов

Биотехнология ее методы

1. Клеточная инженерия

2. Генная инженерия

3. Практические достижения биотехнологии

Вывод

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работ связана со многими открытиями в области генетики. Датой её открытия является 1900г., но Г.Мендель ещё в 1865г., установил закономерности наследственных признаков.

Знание генетики помогает понять возникновение и развитие жизни на Земле, открывает материальную основу эволюционных преобразований. Генетика открыла путь в молекулярную генетику, выявлена генетическая основа многих заболеваний или предрасположенность к ним.

На знаниях генетики основана вся селекционная работа в сельском хозяйстве при получении новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов, разработаны и активно внедряются в практику новые методы биотехнологии и генной инженерии.

Генетика стала основой для открытия многих законов природы.

• Генетика (от греч. «генезис» - происхождение) – наука, изучающая закономерности и материальные основы наследственности и изменчивости организмов, а также механизмы эволюции живого. Развитие генетики - характерная черта биологии 20 - 21веков. Генетика изучает законы наследственности и изменчивости, лежащие в основе эволюции органического мира и деятельности человека по созданию новых сортов культурных растений и пород домашних животных, как это установил ещё Ч. Дарвин.

Основные закономерности передачи признаков в ряду поколений при половом размножении были впервые установлены чешским ученым Грегором Менделем и опубликованы в 1865г. Его исследования долгое время не были правильно оценены. Лишь в 1900г. вторично открыт закон наследственности (К.Корренс, Э.Чермак, Г. де Фриз).

Мендель проводил опыты на горохе. У этого растения много разных сортов, отличающихся друг от друга хорошо выраженными наследственными признаками. Имеются, например, сорта с белым и пурпурными цветками, с высоким и низким стеблем, с желтыми и зелёными семенами, с гладкими и морщинистыми семенами и т.п. Каждая из указанных особенностей наследуется в пределах данного сорта. У гороха обычно происходит самоопыление, хотя возможно и перекрестное опыление.

Мендель применил гибридологический метод исследования – скрещивание различающихся по определённым признакам родительских форм – и проследил проявление изучаемых признаков в ряду поколений. Мендель шел аналитическим путём: из большого многообразия признаков растений он вычленял одну или несколько пар противоположных друг другу признаков и прослеживал проявление их в ряду следующих друг за другом поколений. Характерной чертой опытов Менделя был точный количественный учет проявления изучаемых признаков у всех особей. Это позволило ему установить определенные количественные закономерности.

1. Наука генетика считает предметом своего изучения – наследственность и изменчивость.

Наследственность – способность организма передавать свои признаки и особенности развития потомству.

Изменчивость – способность организма изменятся в процессе индивидуального развития под воздействием факторов среды. Изменчивость явление нестабильности наследственных свойств.

Наследственность – это свойство организма передавать свои признаки и особенности развития следующим поколениям. Благодаря наследственности все особи в пределах вида сходны между собой. Наследственность позволяет животным, растениям и микроорганизмам сохранять из поколения в поколение характерные черты вида, породы, сорта. Наследование признаков осуществляется через размножение. При половом размножении новые поколения возникают в результате оплодотворения. Материальные основы наследственности заключены в половых клетках. При бесполом или вегетативном размножении новое поколение развивается или из одноклеточных спор, или из многоклеточных образований. И при этих формах размножения связь между поколениями осуществляется через клетки, в которых заключены материальные основы наследственности.

Обеспечение преемственности свойств – лишь одна из сторон наследственности; вторая сторона – точная передача специфического для каждого организма типа развития, т.е. становление в ходе онтогенеза определенных признаков и свойств и присущего только этому типу организмов обмена веществ.

2. Изменчивость – свойство организмов приобретать новые признаки в процессе индивидуального развития. Благодаря изменчивости особи в пределах вида различаются между собой.

Следовательно, наследственность и изменчивость – два противоположных, но взаимосвязанных свойства организма. Благодаря изменчивости особи в пределах вида различаются между собой.

Таким образом, изменчивость – это свойство организмов, как бы противоположное наследственности. Изменчивость заключается в изменении наследственных задатков – генов и, как следствие, в изменении их проявления в процессе развития организмов. Изучением причин, форм изменчивости и ее значения для эволюции также занимается генетика. При этом исследователи имеют дело не непосредственно с такими генами, а с результатами их проявления – признаками или свойствами. Поэтому закономерности наследственности и изменчивости изучают, наблюдая в ряду поколений за признаками организмов.

• Существует наука, которая называется генетикой она изучает наследственность. Наследственностью называется проявление у детей признаков их родителей, внешних черт или умственных способностей к сожалению, вместе с внешними чертами характера и интеллектом наследуются и болезни. Вся информация о человеке, весь подробнейший «чертёж» его откровения, особенности его ума, психики – все это записано в особых белковых образованиях – генах. Гены содержатся и яйцеклетке и в сперматозоиде. Когда происходит оплодотворение яйцеклетки, новый организм получает полную информацию о своих родителях. Какие-то признаки проявляются от папы, какие-то от мамы. А так как мама и папа, в свою очередь, получили информацию от бабушки и дедушки, то у ребенка могут проявится черты и бабушки и дедушки. Клетки, через которые осуществляется преемственность поколений, - специализированные половые при половом размножении и клетки тела – соматические при бесполом – несут в себе не сами признаки и свойства будущих организмов, а только задатки их развития. Эти задатки получили название генов. Геном является участок молекулы ДНК (или участок хромосомы), определяющий возможность развития отдельного элементарного признака, или синтез одной белковой молекулы. Из этого положения следует, что признак, обусловленный каким-либо определенным геном, может и не развиваться. Действительно, возможность проявления генов в виде признаков в значительной степени зависит от других генов, а также от условий внешней среды. Следовательно, предмет генетики составляет и изучение условий проявления генов. У всех организмов одного и того же вида каждый конкретный ген располагается в одном и том же месте, или локусе, строго определенной хромосомы. В гаплоидном наборе хромосом (например, у прокариот или в гаметах эукариотических организмов) имеется только один ген, ответственный за развитие данного признака. В диплоидном наборе хромосом (в соматических клетках у эукариот) содержится две гомологичные хромосомы и соответственно два гена, определяющие развитие одного какого – то признака. Существует наука которая называется генетикой она изучает наследственность. Гены, расположенные в одних и тех же локуса гомологичных хромосом и ответственные за развитие одного признака, называют аллельными. Для генов приняты буквенные обозначения. Если два аллельных гена полностью тождественные по структуре, т.е. имеют одинаковую последовательность нуклеотидов, их можно обозначить так: АА. Совокупность всех генов одного организма называют генотипом. Однако генотип – не механическая сумма генов. Возможность проявления гена и форма его проявления зависят, как будет показано дальше, от условий среды. В понятие среды входят не только условия, окружающие клетку, но и другие гены. Гены взаимодействуют друг с другом и, оказавшись в одном генотипе, могут сильно влиять на проявление действия соседних генов. Таким образом, для каждого отдельно взятого гена существует генотипическая среда. В связи с этим известный российский генетик М.Е. Лобашев определил генотип как систему взаимодействующих генов.

• Биотехнология. Биотехнологией называют основное на самом совершенном биологическом процессе производство необходимых для человека веществ. Здесь комплексно используют высшие достижения микробиологии, биотехнологии, биохимии, инженерных наук.

В биотехнологических процессах широко применяют микроорганизмы (бактерии, нитчатые грибы, актиномицеты, дрожжи). В огромных биореакторах (ферментерах) на специально подобранных питательных средах они нарабатывают белок, лекарственные препараты, ферменты и д.р.

Большую роль играют микроорганизмы в обеспечении животноводства полноценными кормовыми белками. На отходах нефтяной промышленности, а также на метаноле, этаноле, метане растут бактерии и дрожжи. Они создают большую массу белка, используемого как полноценные кормовые добавки. Этот белок богат незаменимой аминокислотой лизином, которого часто не хватает в растительной пище, вследствие чего задерживается рост животных.

1. Большое значение в биотехнологии приобретают методы, получившие название клеточной инженерии. Предварительно клетки искусственно созданные питательные среды, где они в стерильных условиях продолжают жить и размножаться. Такие клеточные культуры (или культура тканей) могут служить для продукции ценных веществ. Например, культура клеток растения женьшень продуцирует лекарственное вещество, как и целое растение.

Клеточные культуры используют и для гибридизации клеток. Применяя некоторые специальные приемы, можно объединить клетки разного происхождения от организмов, обычная гибридизация которых половым путем невозможна. Метод клеточной инженерии открывает принципиально новый способ создания гибридов на основе соединения в единую систему не половых, а соматических клеток. Уже получены гибридные клетки и организмы картофеля и томатов, яблони и вишни и некоторые другие. Открываются огромные перспективы для создания человеком новых форм культурных растений.

У животных получение гибридных клеток также открывает новые перспективы, главным образом для медицины. Например, в культуре получены гибриды между раковыми клетками (обладающими способностью к неорганическому росту) и некоторыми клетками крови – лимфоцитами. Последние вырабатывают вещества, обусловливающие иммунитет (невосприимчивость) к инфекционным, в том числе вирусным, заболеваниям. Используя такие гибридные клетки, можно получат ценные лекарственные вещества, повышающие устойчивость организма к инфекциям.

2. В биотехнологии широко применяют метод генной (генетической) инженерии. Успехи молекулярной биологии и генетики открывают широкие перспективы управления основными жизненными процессами путем перестройки генотипа. Исследованиями по перестройке генотипа занимается генная инженерия. Методы ее очень сложны. Сущность некоторых их них сводится к тому, что в генотип организма встраиваются или исключаются из него отдельные гены или группы генов. Такие эксперименты проводятся преимущественно на прокариотаных организмах (бактериях) и вирусах, но имеются уже некоторые данные, показывающие возможность применения методов генотической инженерии и на эукариотных организмах.

В результате встраивания в генотип ранее отсутствовавшего гена можно заставить клетку синтезировать белки, которые она раньше не синтезировала Например, в генотип бактерии кишечной палочки удалось ввести ген из генотипа человека, контролирующий синтез инсулина – гормона в углеводном обмене. Инсулин широко используется в медицине при лечении нарушений функций поджелудочной железы (диабет). В настоящие время промышленный синтез инсулина будет осуществлять при посредстве кишечной палочки с встроенным геном инсулина. Хорошо известно, какое огромное значение для урожайности сельскохозяйственных культур имеют неорганические соединения азота. Существуют некоторые виды бактерий, обладающих замечательной способностью фиксировать атмосферный азот, переводя его в связанный азот почвы. Поставлена задача - гены, контролирующие фиксацию атмосферного азота, ввести в генотип почвенных бактерий, которые не имеют этих генов. Решение задач будет иметь первостепенное значение для растениеводства, совершенно по-новому встанет вопрос об удобрении почв.

Генная инженерия— совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы. Генная инженерия служит для получения желаемых качеств изменяемого организма.

Генная инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя исследования таких биологических наук, как молекулярная биология, цитология, генетика, микробиология. Самым ярким событием, привлёкшим наибольшее внимание и очень важным по своим последствиям, была серия открытий, результатом которых явилось создание методов управления наследственностью живых организмов, причём управления путём проникновения в «святая святых» живой клетки — в её генетический аппарат.

Учёные, биохимики и молекулярные биологи научились модифицировать гены или создавать совершенно новые, комбинируя гены различных организмов. Они научились также синтезировать гены, причём точно по заданным схемам. Они научились вводить такие искусственные гены в живые организмы и заставили их там работать. Это было начало генетической инженерии. Задумаемся над следующим обстоятельством.

Основа микробиологической, биосинтетической промышленности — бактериальная клетка. Необходимые для промышленного производства клетки подбираются по определённым признакам, самый главный из которых — способность производить, синтезировать, при этом в максимально возможных количествах, определённое соединение — аминокислоту или антибиотик, стероидный гормон или органическую кислоту.

Иногда надо иметь микроорганизм, способный, например, использовать в качестве «пищи» нефть или сточные воды и перерабатывать их в биомассу или даже вполне пригодный для кормовых добавок белок. Иногда нужны организмы, способные развиваться при повышенных температурах или в присутствии веществ, безусловно смертельных для других видов микроорганизмов. Задача получения таких промышленных штаммов очень важна, для их видоизменения и отбора разработаны многочисленные приёмы активного воздействия на клетку — от обработки сильно действующими ядами до радиоактивного облучения.Цель этих приёмов одна –добиться изменения наследственного, генетического аппарата клетки. Их результат – получение многочисленных микробов-мутантов, из сотен и тысяч которых учёные потом стараются отобрать наиболее подходящие для той или иной цели. Создание приёмов химического или радиационного мутагенеза было выдающимся достижением биологии.

3. Практические достижения биотехнологии. С помощью биотехнологии получено множество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства, продовольственной и хи­мической промышленности. Причем важно то, что многие из них не могли быть получены без применения биотехнологических способов. Особенно большие надежды связываются с попытками использования микроорганизмов и  культур клеток для уменьшения загрязнения среды и производства энергии.

За последние 10—15 лет были созданы принципиально новые методы манипулирования с нуклеиновыми кисло­тами in vitro, на основе которых зародился и бурно разви­вается новый раздел молекулярной биологии и генетики — генная инженерия. Принципиальное отличие генной инже­нерии от использовавшихся ранее традиционных приемов изменения состоит в том, что она дает возможность конструировать функционально активные генетические структуры in vitro в форме рекомбинантных ДНК. Понятия «генная» и «генетическая» инженерия ча­сто употребляют как синонимы, хотя последнее является более широким и включает манипулирование не только с отдельными генами, но и с более крупными частями генома. Работа по переделке генотипа животных или ра­стений с помощью скрещиваний ограничены пределами вида либо близких в видовом отношении форм. Напротив, генная инженерия, как будет показано ниже, стирает межвидовые барьеры, обеспечивая возможность создания организмов с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств. Генная инженерия представляет собой совокупность методов, позволяющих не только получать реконбинантные ДНК из фрагментов геномов разных организмов, но и вводить такие рекомбинантные молекулы в клетку, создавая условия для экспрессии в ней введенных, часто совершенно  чужеродных генов. Таким образом, в этом случае исследователь оперирует непосредственно с генами, причем их перенос может не зависеть от таксономического родства используемых организмов. Эта особенность генной инже­нерии представляет ее главное отличие от ранее исполь­зовавшихся приемов изменения генотипа. Первенствующую роль в формировании генной инженерии сыграла генетика микроорганизмов, идеи и методы, разработанные молекулярной генетикой и химией нуклеи­новых кислот. Формальной датой рождения генной инженерии считают 1972 г., когда группа П. Берга в США соз­дала первую рекомбинантиую ДНК in vitro, объединившую в своем составе генетический материал из трех источни­ков: полный геном онкогенного вируса обезьян SV40, часть генома умеренного бактериофага К и гены галактозного оперона Е. coli. Сконструированная рекомбинантная моле­кула не была исследована на функциональную активность, поскольку у авторов этой работы возникли опасения, что методы генной инженерии могут привести к появлению микроорганизмов, опасных для здоровья человека, напри­мер бактерий Е. coil, способных перенести онкогенные вирусы животных в кишечник человека. Разработанные позднее правила работы с рекомбинантными молекулами позволили практически устранить возможность вредных последствий создания рекомбинантных ДНК, объединяю­щих в своем составе гены разного происхождения. Методы генной инженерии Возможность выделения отдельных генов в составе относительно небольших фрагментов ДНК была продемон­стрирована незадолго до возникновения генной инжене­рии в экспериментах in vitro . В 1969 г. Дж. Беквит, Дж. Ша­пиро и другие опубликовали работу по выделению генов лактозного оперона Е.coli, основанную на сочетании тра­диционных методов генетики микроорганизмов и физиче­ских методов выделения и гибридизации молекул ДНК. Отдельные гены с целью их последующего молеку­лярного клонирования в составе рекомбинантных ДНК методами генной инженерии могут быть получены сле­дующими способами: непосредственным выделением из природных источников; путем химического синтеза; копированием соответствующей гену и РНК для получе­ния комплиментарной ДНК-вой реплики (к ДНК). Первый метод широко использовался на раннем этапе развития генной инженерии. Тотальную ДНК из разных источников подвергали деградации различными рестриктазами, сшивали с векторными молекулами, вводили в реципиентные клетки и отбирали клоны с гибридными молекулами, включавшими требуемый ген, по появлению соответствующих маркеров донора (например, устойчи­вости к определенному антибиотику) либо с помощью специальных иммунологических и гибридизационных ме­тодов. Этот метод не утратил своего значения и успешно применяется, например для создания банка генов. Искусственный синтез гена впервые осуществлен хи­мическим путем в 1969 г. группой  Кораны с сотрудниками. Химическому синтезу генов существенно способство­вало совершенствование методов изучения первичной структуры белков или других продуктов, кодируемых син­тезируемым геном, а также методов определения первич­ной структуры (секвенирования) нуклеиновых кислот. Секвенирование ДНК игра­ет большую роль не только в работах по химическому синтезу генов, но и при изучении их функции, их регуля­торных последовательностей, а также целых генетических систем, например мобильных диспергированных генов у эукариот. Анализ первичной структуры ДНК, т. е. установление последовательности нуклеотидных остатков в ее молекуле, в настоящее время основан на двух методах — методе химической деградации (А. Максам и В. Гилберт, 1977) и методе полимеразного копирования с использованием терминирующих аналогов нуклеотидов (Ф. Сэнгер, 1977). В практике генной инженерии широко распространен и третий метод искусственного получения генов, основан­ный на их ферментативном синтезе с помощью механизма обратной транскрипции. Этот механизм связан с актив­ностью ДНК-зависимой ДНК-полимеразы или обратной транскриптазы — фермента, впервые обнаруженного при исследовании репликации  РНК  онкогенных вирусов. Фермент способен строить ДНК-копии на разных РНК, включая синтетические полирибонуклеотиды. С по­мощью обратной транскриптазы, называемой иногда ревертазой, можно синтезировать практически любой ин­дивидуальный ген в присутствии соответствующих иРНК, методы выделении которых достаточно разработаны. В 70-е годы появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью электрофореза. В руки ученых попали "молекуляр­ные ножницы". Транспортным средством переноса генетической ин­формации в клетку стал вирус. Явление трансдукции — переноса ге­нов из одной клетки в другую с помощью вирусов изучали еще с 50-х годов. Но вирус не должен был сразу уничтожать всю клетку, поэтому не все вирусы подходили для этой роли. Известно, что бак­териальные клетки могут обмениваться генетическим материалом при помощи плазмид (небольших частиц с фрагментами ДНК). Поэтому введение нужного гена в плазмиду позволяет в дальнейшем перенес­ти этот ген в бактерию (это еще один из механизмов транспорта в генной инженерии). Появилась возможность изучать распределение нуклеотидов в оп­ределенном гене или получать нужный белок. Для этого создается рекомбинантная ДНК, которая возникает, когда ДНК одного орга­низма внедряется в клетки другого. В качестве последнего использу­ются клетки организма, который размножается много быстрее пер­вого, например, бактерии. Так, в 80-е годы были разработаны интерфероны ~ белки, способные подавлять размножение вирусов. Были выбраны наиболее подходящие для переноса гены и мобиль­ные участки ДНК. Например, культурным растениям вводят гены, повышающие их иммунитет и устойчивость.

Значение биотехнологий огромно. Поскольку с ее помощью решаются серьезные проблемы. На базе микробиологии родилась и быстро развивается целая отрасль- микробиологическая промышленность. Активно участвуя в решении продовольственных проблем в СССР, она выпускает средства интенсификации сельского хозяйства: высокоэффективные кормовые добавки и препараты ( кормовые дрожжи, незаменимые аминокислоты, витамины, ферменты, кормовые и ветеринарные антибиотики). Налажен выпуск микробиологических средств защиты растений от вредителей и болезней, бактериальных удобрений, а также препаратов для нужд пищевой, текстильной, химической и других отраслей промышленности и для научных целей.

Заключение

Темой моего исследования стали наука генетика и современное направление генетики, биотехнологии, хотя эти науки молодые, но они стали основой, многих открытий и широких исследований.

Без учета достижений генетики в настоящее время немыслима полноценная деятельность генетика во многих сферах науки и производства, в биологии, медицине, в сельском хозяйстве.

Я постаралась в своей работе выйти за рамки школьного учебника. Открыла для себя много интересного и увлекательного. Более детально изучила основные свойства организма: наследственность и изменчивость, что и является основой для биотехнологии.

Особо меня заинтересовало два метода биотехнологии: генная и клеточная инженерия и их практическое значение.

Данная работа помогла мне углубить и расширить свои знания в области генетики. Надеюсь, что она будет представлять интерес не только для меня, но и для моих одноклассников, так как эволюционный процесс жизни не стоит на месте. И технология получения необходимых продуктов из живых клеток и лечение многих заболеваний ещё только на клеточном уровне, но все это будет востребовано совсем скоро.