План: 1. Введение 3стр. НОСИТЕЛЬ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 2. СОВРЕМЕННЫЕ БИОТЕ ХНОЛОГИИ 4стр. 3. ГЕННЫЕ Т ЕХНОЛОГИИ 7 СТР. 4. ПРОБЛЕМА КЛОНИРОВ АНИЯ 11 СТР. 5. Заключение 6. Список использованной литерат уры НОСИТЕЛЬ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ Структура ДНК. Хран ение и передачу наследственной информации в живых организмах обеспечивают природные органические полиме ры — нуклеиновые кислоты. Различают их две разновидности — дез ок сирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). В состав ДНК входят азотисты е основания (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц)), дезоксирибоза С 5 Н 10 О 4 и остаток ф осфорной кислоты. В состав РНК вместо тимина входи т урацил (У), а вместо дезокси рибо зы — рибоза (С5Н10О5). Мономерами ДНК и РНК являют ся нуклеотиды, которые сост оят из азотистых, пуриновых (аденин и гуанин) и пиримидиновых (урацил, тими н и цитозин) оснований, остатка фосфорной кислоты и углеводов (рибозы и дезоксирибозы). Мол екулы ДНК содержатся в хромосомах ядра клетки живых орга низмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропласто в, в про кариотных клетках и во многих вирусах. По сво ей структуре молекула ДНК похожа на двойную спираль. Структурная модель ДНК в виде двойной спирали впервые предложена в 1953 г. американским био химиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и англи йским биофизиком и генетиком Ф. Криком (р. 1916), удостое нными вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоно м (р. 1916), получившим рентгенограмму ДНК, Нобелев ской п ремии 1962 г. Нуклео тиды соединяются в цепь посредством ковалентнйх связей. Образованные таким образом цепи нуклеотидов объединяется в одну молекулу ДНК по всей длине водородными связя ми: адениновый нуклео- тид одной цепи соединяется с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый — с цитозиновым . При этом аденин всегда распо знает т олько тимин и связывается с ним и наоборот. Подобную пару образуют гуани н и цитозин. Такие пары оснований, как и нуклеотиды, называ ются комплементарными, а сам принцип формирования двухцепочной молекулы ДНК — принципом комплемент арности. Число нуклеотидных пар, например, в организме человека составляет 3 — 3,5 млрд. ДНК — материальный носитель наследственной инфо рмации, кото рая кодируется последовательностью н уклеотидов. Расположение четы рех типов нуклеотид ов в цепях ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах б елка, т.е. их первичную структуру. От набора белков зависят свойства клето к и индивидуальные признаки организмов. Оп ределен ное сочетание нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК об разуют генетический код. Ген (от греч. genos — род, прои схождение) — едини ца наследственного материала, о тветственная за формирование какого-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК, определяющий структуру одной молеку лы белка. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом д анного организма, называется геномом, а генетическая конституция организма (с овокупность всех его ге нов) — генотипом. Нарушение последовательнос ти нуклеотидов в цепи ДНК, а следовательно, в геноти пе приводит к наследственным изменени ям в организ ме— мутациям. Генет ический код обладает удивительными свойствами. Главное из них — триплетность: одна аминокислота кодируется тремя рядо м распо ложенными нуклеотидами — триплетом, назыв аемым кодоном. При этом каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Дру гое не менее важное свойство — код един для всего живого на Земле. Это сво йство ге нетического кода вместе со сходством амин окислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимо му, отражает происхождение всех живых существ от единого предка. Для мол екул ДНК характерно важное свойство удвоения — образо вания двух одинаковых двойных спиралей, каждая из которых ид ентична исходной молекуле. Такой процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией. Репликация включает в себя разрыв старых и формирование новых водородных связей, объединяющих цепи нуклеотид ов. В начале репликации две старые цепи начинают ра скручиваться и отделяться друг от друга. Затем по п ринципу комплементарности к двум старым цепям при страиваются новые. Так образуются две идентичные двойные спирали. Репликация обеспечивает точное копирование генети ческой ин формации, заключенной в молекулах ДНК, и п ередает ее по наследству от поколения к поколению. Ге нетические свойства. Накануне открытия с труктуры молекулы ДНК из вестные биологи считали, что вторгнуть ся в наследственный аппарат, а тем более манипулир овать с ним наука сможет лишь в XXI в. Однако, несмотря на с лож ность структуры и свойств наследственного материала, уже в конце XX в. родилась новая отрасль молекулярной биологии и генети ки — генная инженерия, ос новная задача которой заключ ается в конструировании новых, не существую щих в природе сочетаний генов. В по следнее время эта отрасль называется генной технологией. Она открыва ет воз можности выведения новых сортов культур ных растений и высокопродуктивных пород животных, создания эффективны х лекарственных и т.д. Проведен ные в последнее время ис следования показали, ч то наследствен ный материал не стареет. Генетич еский анализ эффективен даже в том случае, когда молекулы ДНК принадлежат весьма далеким друг от друга поколениям. Сравнительно недавно была поставлена задача определить, кому принадлежат останки, найденные в захоронении под Екатеринбургом. Царско й ли семье, расстрелянной в этом городе в 1918 г.? Или слепой случай собрал в одну могилу такое же чис ло мужских и женских останков? Ведь в годы гражданской войны по гибли миллионы... Образцы останков были отправлены в англий ский Центр судебно-медицинской экспертизы — т ам уже накоплен большой опыт генного анализа. Из костной ткани исследова тели выделили моле кулы ДНК и провели анализ. С т очностью 99% установлено: в исследуемой группе находятся останки отца, мат ери и их трех дочерей. Но может быть, это не царская семья? Предстояло дока зать родство найденных ос танков с членами английск ого королевского дома, с которым Романовы связаны довольно близкими род ственными узами. Анализ подтвердил Родство пог ибших с английским королевским домом, и служба судеб но-медицинской экспертизы сделала заключение: найденные под Екат ринбургом останки принадлежат царской семье Романовых. Одно и з чудес природы — неповторимая индивидуальность каждого живущего на З емле человека. «Не сравнивай — живущий несравним» - писал О. Мандельштам. Ученым долгое время не удавалось найти к люч к разгадке индивидуальности человека. Сейчас известно, что вся инфор ма ция о строении и развитии живого организма «зап исана» в его геноме. Ге нетический код, например, окр аски глаз человека отличается от генетиче ского ко да окраски глаз кролика, но у разных людей он имеет одинаковую структуру и состоит из одних и тех же последовательностей ДНК . Учены е наблюдают огромное разнообразие белков, из которых по строены живые организмы, и удивительное однообразие кодирую щих их генов. Разумеется, в геноме каждого человека должны быть какие-то об ласти, определяющие его инд ивидуальность. Долгий поиск увенчался ус пехом — в 1985 г. в геноме человека обнаружены особые сверхизменчивые участки — ми ни-сателлиты. Они оказались настолько индивидуаль ны у каждого человека, что с их помощью удалось получить своеобраз ный «портрет» его ДНК, точнее, определенных генов. Как ж е выглядит этот «портрет»? Это сложное сочетание т емных и светлых полос, похо жее на слегка размытый с пектр, или на клавиатуру из темных и светлых клавиш разной толщины. Такое сочетание полос называют ДНК-отпечат ками по аналогии с отпечатками пальцев. С помо щью отпечатков ДНК можно провести идентификацию лично сти гораздо более точную, чем это позволяют сделать традицио нные методы отпечатков пальцев и анализ крови. Причем ответ генной экспе рти зы исключает слово «возможно». Вероятность оши бки чрезвычайно мала. Таким эффективным методом эк спертизы уже пользуются крими налисты. С помощью ДН К-отпечатков можно расследовать преступле ния не т олько настоящего времени, но и далекого прошлого. Генная экс пертиза по установлению отцовства — наиболее частый повод о браще ния судебных органов к генетической дактило скопии. В судебные учреж дения обращаются мужчины, сомневающиеся в своем отцовстве, и женщины, желающ ие получить развод на основании того, что их муж не о тец ребенка. Идентификацию материнства можно проводить по отпе чаткам ДНК матери и ребенка в отсутствие отца, и наоборот, для установ ления отцовства достаточно ДНК-отпеча тков отца и ребенка. Генетиков всего мира интересуют сейчас прикладные а спекты генетической дакти лоскопии. Обсуждаются в опросы паспортизации по отпечаткам ДНК преступников-рецидивистов, вве дения в картотеки следственных орга нов данных об о тпечатках ДНК наряду с описанием внешности, особых примет, отпечатков пальцев. 18 СОВРЕМЕННЫЕ БИОТЕХНОЛОГИИ Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и био логических процессов в промышленном производстве. На их базе освоено массовое производство искусственных белков, питательных и мно гих других веществ. Успешно развивается микробиол огический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т.п. С применением генных технологий и естественных биоорганических материа лов синтезируются биологически активные вещества — гормональные преп араты и соединения, стимулирующие иммунитет. Для увел ичения производства продуктов питания нужны искусствен ные вещества, содержащие белки, необходимые для жизнедеятель ности живых организмов. Благодаря важнейшим дости жениям биотехнологии в настоящее время производи тся множество искусственных питательных веществ, по многим Свойствам п ревосходящих продукты естественного происхожден ия. Совреме нная биотехнология позволяет превратить отходы древесины, соломы и дру гое растительное сырье в ценные питательные белки. Она включает процесс гидролизации промежуточного продукта — целлюлоз ы — и нейтрализацию образующейся глюкозы с введением солей. Полученный раствор глюкозы представляет собой питательный субстрат микроорганизмов — дрожжевых грибков. В р езультате жизнедеятельности микроорганизмов образуется светло-корич невый порошок — высо кокачественный пищевой прод укт, содержащий около 50% белка-сырца и различные вита мины. Питательной средой для дрожжевых грибков мо г ут служить и такие содержащие сахар растворы, как паточная барда и сульфитный щелок, образующийся при производстве целл юлозы. Некото рые виды грибков превращают нефть, мазут и природный газ в пищевую биома ссу, богатую белками. Так, из 100 т неочищенного мазута можно получить 10 т дрожжевой биомассы, содержащей 5 т чистого б ел ка и 90 т дизельного топлива. Столько же дрожжей пр оизводится из 50 т сухой древесины или 30 тыс. м 3 природного газа. Для производств а дан ного количества белка потребовалось бы стадо коров из 10 000 голов, а для их содержания нужны огромные площади пахотных зем ель. Про мышленное производство белков полностью а втоматизировано, и дрож жевые культуры растут в ты сячи раз быстрее, чем крупный рогатый скот. Одна тонна пищевых дрожжей по зволяет получить около 800 кг свинины, 1,5— 2,5 т птицы ил и 15— 30 тыс. яиц и сэкономить при этом до 5 т зерна. Некотор ые виды биотехнологий включают процессы брожения. Спиртовое брожение известно еще в каменном веке — в древнем Вавилоне варили около 20 сортов пива. Много столетий назад началось массо вое производство алкогольных напитков. Еще одно ва жное достижение в микробиологии — разработка в 1947 г. пенициллина. Двумя годами поз же на основе глутам иновой кислоты путем биосинтеза впервые получены аминокислоты. К настоящему времени налажено производство антибио тиков, витаминно-белковых добавок к продуктам питания , стимуляторов роста, бактериологических удобрений, средств защиты раст ений и др. С использо ванием рекомбинантных ДНК удалось синтезировать фер менты и тем самым расширить их область применения в биотехно логии. Появилась возможность производить множество ферментов при срав нит ельно невысокой их себестоимости. Под воздейст вием искусственных ферментов кукурузный крахмал превращается в глюкоз у, которая затем преобразуется в фруктозу. Так, в США ежегодно производится более 2 млн. т кукурузной пат оки с высоким содержанием фруктозы. Процесс фермен тации применяется в производстве этилового спирта. Кукурузный и пшеничный крахмал и сахар вполне пригодны для ферментац ии. Они легко превращаются в глюкозу. Известны микр оорганизмы, перерабаты вающие глюкозу во многие по лезные химические продукты. Однако чаще такое раст ительное сырье потребляется в качестве пищевых пр одуктов. Для ферментации можно использовать биомассу в виде отхо дов сельского и лесного хозяйств. Однако она содержит лигнин, препятст вующий биокаталитическому расщеплению и ферментации целлюл оз ных компонентов. Поэтому природную биомассу нео бходимо предвари тельно очистить от лигнина. Дальн ейшее развитие биотехнологий связано с модификацией гене тического аппарата живых систем. ГЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Генны е технологии основаны на методах молекулярной био логии и генетики, связанных с целенаправленным кон струированием новых, не существующих в природе соч етаний генов. Генные технологии зарожда лись в нача ле 70-х годов XX в. как мет оды рекомбинантных ДНК, назван ные генной инженери ей. Основная операция генной технологии заключа ет ся в извлечении из клеток организма гена, кодирующего нужный про дукт, или группы генов и соединение их с молекулами ДНК, спо собными размножаться в клетках другого организма. На начальной стадии развития генных технологий был получен ряд биологи чески активных соеди нений — инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяют хими ю нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, гене т ику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем био технологии, медицины и сельского хозяйства. Основна я цель генных технологий — видоизменить ДНК, закодиро вав ее для производства белка с заданными свойствами. Совреме нные экспериментальные методы позволяют анализир овать и идентифицировать фрагменты ДНК и генетически видоизмененной к летки, в которые введена нужная ДНК. Над биологическими объектами осущес твляются Целенаправленные химические операции, что и составляет основ у ген ных технологий. Генные тех нологии привели к разработке современных методов ана лиза генов и геномов, а они, в свою очередь, — к синтезу, т.е. к кон струи рованию новых, генетически модифицированных микроорганизмов. К настоящему времени установлен ы нуклеотидные последовательности разных микроорганизмов, включая про мышленные штаммы, и те, которые нужны для исследования принципов организ ации геномов и для по нимания механизмов эволюции микробов. Промышленные микробиоло ги, в свою очеред ь, убеждены, что знание нуклеотидных последовательностей геномов промы шленных штаммов позволит «программировать» их на то, чтобы они приносили большой доход. Клониро вание эукариотных (ядерных) генов в микробах и есть тот принципиальный метод, который привел к бурному развитию мик робио логии. Фрагменты геномов животных и растений для их анализа клониру ют именно в микроорганизмах . Для этого в качестве молекулярных век торов — пер еносчиков генов — используют искусственно созданные плазмиды, а также множество других молекулярных образований для вы деления и клонирования. С помощ ью молекулярных проб (фрагментов ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов) можно определять, скажем, заражена ли донорская кровь вирусом СПИДа. А генны е технологии для идентифи кации некоторых микробо в позволяют следить за их распространением, наприм ер внутри больницы или при эпидемиях. Генные технологии производства вакцин развиваются в двух основ ных направлениях. Первое — улучшение уже существующих вакци н и создание комбинированной вакцины, т.е. состояще й из нескольких вак цин. Второе направление — полу чение вакцин против болезней: СПИДа, малярии, язвен ной болезни желудка и др. За посл едние годы генные технологии значительно улучшили эффек тивность традиционных штаммов-продуцентов. Например, у грибн ого штамма-продуцента антибиотика цефалоспорина увеличили число генов, кодирующих экспандазу, акт ивность которой задает скорость синтеза цефалоспорина. В итоге выработ ка антибиотика возросла на 15— 40%. Проводи тся целенаправленная работа по генетической модификации свойств микробов, используемых в производстве хлеба, сыровар ении, молочной промышленности, пивоварении и вино делии, чтобы увеличить устойчивость производстве нных штаммов, повысить их конкурентоспо собность п о отношению к вредным бактериям и улучшить качество ко нечного продукта. Генетич ески модифицированные микробы приносят пользу в борьбе с вредными вирусами и микробами и насекомыми. Вот примеры. В ре зультате модификации тех или иных растений можно повысить их устой чивость к инфекционным болезням. Так, в Китае устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец выращиваю т уже на больших площадях. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бак териальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчи вые к грибкам. В настоящее время трансгенные растения промышлен но выращива ются в США, Аргентине, Канаде, Австрии, К итае, Испании, Франции и Других странах. С каждым го дом увеличиваются площади под трансген ными расте ниями. Особенно важно использовать трансгенные ра стения в странах Азии и Африки, где наиболее велики потери урожая от сорняков, болезней и вредителей и в то же время больше в сего не хва тает продовольствия . Не привед ет ли широкое внедрение в практику генных технологий к появлению еще не известных эпидемиологам заболеваний и друг их неже лательных последствий? Практика показывае т, что генные технологии с начала их развития по сей день, т.е. в течение более 30 лет, не принесли ни одного отрицательного последствия. Более того, оказалось, что все ре комбинантные микроорганизмы, как правило, менее вирулентны, т.е. ме нее болезнетворны, чем их исходные формы. Одна ко биологические феномены таковы, что о них никогда нельзя с уверенность ю сказать: этого никогда не случится. Более правиль но говорить так: вероятность того, что это случится , очень мала. И тут как безусловно положительное важно отметить, что все виды работ с микроорганизмами строго регла ментиро ваны, и цель такой регламентации — уменьши ть вероятность распро странения инфекционных аге нтов. Трансгенные штаммы не должны со держать гено в, которые после их переноса в другие бактерии смогут дать опасный эффект. ПРОБЛЕМА КЛОНИРОВАНИЯ Родился ягненок, генетически неотл ичимый от особи, давшей сома тическую клетку. Может быть, соматическая клетка человека способна пород ить новый полноценный организм. Клонирование человека — это шанс иметь детей для тех, кто страдает бесплодием; это банки кл еток и тканей, запасные органы взамен тех, что прихо дят в негодность; наконец, это возможность передат ь потомству не половину своих генов, а весь ге ном — воспроизвести ребенка, который будет копией одного из родителей. Вместе с тем остается открытым вопрос о правовом и нравственном аспекте данных возможностей. Подобного рода доводами в 1997— 1998 гг. были переполнены различные источники массовой информации во мно гих странах. По прин ятому в науке определению, клонирование — это точное вос произведение того или иного живого объекта в каком-то количестве ко п ий. Воспроизведенные копии обладают идентичной наследственной ин формацией, т.е. имеют одинаковый набор генов. В ряде сл учаев клонирование живого организма не вызывает особого удивления и относится к отработанной процедуре, хотя и не так ой уж простой. Генетики получают клоны, когда используемые ими объекты размножаются посредством партеногенеза — беспол ым путем, без предшествующего оплодотворения. Естественно, те особи, кот орые развива ются из той или иной исходной половой клетки, будут в генетическом от ношении одинаковым и и могут составить клон. В нашей стране блестя щие р аботы по подобному клонированию выполняют на шелкопряде доведенные клоны шелкопряда отличаются высокой продукт ивностью п о выработке шелка и славятся на весь мир. Одн ако речь идет о другом клонировании — о получении точных ко пий, например коровы с рекордным надоем молока или гениал ьного человека. Вот при таком клонировании и возникают весьма и весьма б оль шие сложности. Еще в далекие 40-е годы XX в. российский эмбриолог Г.В. Лопашов разработал метод пере садки (трансплантации) ядер в яйцеклетку лягушки. В июне 1948 г. он отправил в «Журнал общей биологии» статью, на писанную по материалам своих экспериментов. Однако на его беду в ав густе 1948 г. состоялась печально известная сессия ВАСХНИЛ, п о воле партии утвердившая беспредельное госпо дство в биологии Трофима Лы сенко (1898— 1976), и набор стать и Лопашова, принятой к печати, был рассыпан, поск ольку она доказывала ведущую роль ядра и содержащихся в нем хромосом в и ндивидуальном развитии организмов. Работу Лопашо ва забыли, а в 50-е годы XX в. американские эмбриологи Бриггс и Кинг выполнили сходные опыты, и приоритет достался им, как ча сто случа лось в истории российской науки. В фе врале 1997 г. сообщалось о том, что в лаборатории шотландского ученого Яна Вильмута в Рослинском институте (Эдинбург) разраб отан эффективный метод клонирования млекопит ающих и на его основе роди лась овца Долли. Говор я доступным языком, овца Долли не имеет отца — е й дала начало клетка матери, содержащая двойной набор генов. Известно, соматические клетки взрослых организмов содер жат полный набор генов, а половые клетки — только половину. При зачатии о бе половины — отцовская и материнская — соединяются и рождается новый организм. Как же производился опыт в лаборатории Яна Вильмута? Вначале выделялись ооц иты, т.е. яйцеклетки. Их извлекли из овцы породы Шотланд ская черномордая, затем поместили в искусственную питате льную среду с добавлением эмбриональной теляч ьей сыворотки при температуре 37 °С и провели операци ю энуклеации — удаления собственных ядер. Сле дующая операция заключалась в обеспечении яйцеклетки генетической инф ормацией от организма, который надлежало клонировать. Для этого наиболее удобными оказались диплоидные клетки дон ора, т.е. клетки, несущие полный генетический наб ор, которые были взяты из мо лочной железы взрослой б еременной овцы. Из 236 опытов успешным оказался л ишь один — и родилась овечка Долли, несущая генетический материал взрослой овцы. После этого в различных средствах инф орма ции стала обсуждаться проблема клонирова ния человека. Нек оторые ученые считают, что фактически невозможно возвратить изменившиеся ядра соматических клеток в исходное состоя ние, чтобы они могли обеспечить но рмальное развитие той яйцеклетки, в которую их тра нсплантировали, и на выходе дать точную копию донора. Но даже если все проблемы удастся решить и все трудности преодолеть ( хотя это маловероятно), клонирование человека нель зя считать научно обоснованным. Действительно, допустим, что трансплант ировали развиваю щиеся яйцеклетки с чужеродными д онорскими ядрами нескольким тыся чам приемных мат ерей. Именно нескольким тысячам: процент выхода ни зкий, а повысить его, скорее всего, не удастся. И все это для того, чтобы получить хотя бы одну-единственную рожденную живую ко пию како го-то человека, пусть даже гения. А что буде т с остальными зародышами? Ведь большая их часть по гибнет в утробе матери или разовьется в уродов. Пре дставляете себе — тысячи искусственно полученных уродов! Это было бы преступлением, поэтому вполне естественно ожидат ь принятия закона, запрещающего такого рода исслед ования как в высшей степени аморальные. Что касает ся млекопитающих, то рациональнее проводить исследования по выведению трансгенных пород животных, генотерапии и т.п. Заключение Приро да как объект изучения естествознания сложна и многообразна в своих про явлениях: она непрерывно изменяется и находится в постоян ном движении. Круг знаний о ней становится все шире, и област ь сопря жения его с безграничным полем незнания п ревращается в громадное размытое кольцо, усеянное научными идеями — зе рнами естествозна ния. Некоторые из них своими ро стками пробьются в круг классических знаний и да дут жизнь новым идеям, новым естественно - научным концеп циям, другие же останутся лишь в истории развития науки. Их с менят за тем более совершенные. Такова диалектика развития естественно - науч ного познания окружаю щего мира. Список использованной литературы: 1. Карпенков С.Х. Концепция с овременного естествознания М. 2003г. 2. Вернадский В.И. Живое вещество и биосф ера М. 1999г. 3. Ичас М. О природе живого: механизмы и см ысл. М 1994г.