Современная генетика

naturale.

Unele plazmide au o particularitate foarte important?: dac? asupra

celulelor оn care exist? acest vector se va ac?iona cu antibioticul

cloramfenicol, оn ele num?rul copiilor de plazmid? va spori pвn? la 1-3

mii. Astfel se m?re?te doza genei necesare. ceea ce permite a se ob?ine

gena оncorporat? оn plazmid? (sau produsul acestei gene) оn mari cantit??i.

Dar cum se ob?ine o molecul? recombinat?? Cum se realizeaz? clonarea

(inserarea) genei str?ine оn plazmid?? Principalele opera?ii ale acestui

proces sunt indicate оn fig. 23.

Оn acest scop trebuie s? avem un ADN al plazmidei - vector (de exemplu P1

?i ADN-ul organismului care ne intereseaz?. ADN-ul plazmidic ?i cel str?in

este tratat cu restrictaz? (bun?oar? Bam1), dup? care la plazmid? оn gena

de rezisten?? fa?? de tetraciclin? se formeaz? o ruptur? ?i moleculele

inelare se transform? оn liniare. Apoi ambele preparate scindate ale ADN-

lui se amestec? unul cu altul ?i sunt tratate cu ligaz?. Fragmentele de ADN

se unesc ?i formeaz? plazmida recombinant? sau un ADN hibrid.

Dup? aceasta urmeaz? procedura de selectare a acestor molecule hibride:

tot amestecul de molecule prelucrate cu ligaz? se introduce оn celulele

bacteriale. Apoi aceste celule sunt a?ezate оntr-un mediu nutritiv solid cu

antibioticele ampicilin? ?i tetraciclin?. Celulele care con?in plazmida

hibrid? vor cre?te оn mediul cu ampicilin?, dar nu vor cre?te оmpreun? cu

ambele antibiotice, deoarece gena rezisten?ei din plazmida tetraciclinei a

fost defectat? de inser?ie.

Cre?terea selectiv? permite colectarea celulelor ce con?in molecula

hibrid? ADN. Оn continuare ele se оnmul?esc ?i ADN-ul recombinant, ob?inut

din ele оn cantit??i mari, este utilizat оn diferite scopuri.

A?a dar, din momentul introducerii ADN-ului recombinant оn celul? оncepe

clonarea molecular?, adic? ob?inerea urma?ilor moleculei recombinate,

create оn mod artificial. Оn acest scop pentru celulele transformate sunt

create condi?ii specifice оn vederea select?rii lor, ?inвndu-se seama de

marcatorii geneticii, care semnaleaz? prezen?a celulelor pentru selec?ie.

Drept urmare se ob?ine o tulpin? absolut omogen?, din care, оn dependen??

de scop, se separ? ori gena clonat?, ori produsul ei.

Acestea sunt оn linii generale bazele teoretice ale ingineriei genetice.

Ingineria genetic? face abia primii pa?i, dar de acum ast?zi putem vorbi

despre perspectivele aplic?rii realiz?rilor ei оntr-o serie de domenii din

sfera material?. Оn etapa actual? cea mai larg? aplicare o are ingineria

genetic? a microorganismelor.

XI. INGINERIA GENETIC? LA MICROORGANISMELE INDUSTRIALE

11.1 Activitatea enigmatic? a microorganismelor vii

La majoritatea oamenilor no?iunea de «microb» sau «bacterie» se asociaz?

оnainte de toate cu gravele boli infec?ioase, provocate de ei. Pu?ini оns?

cunosc activitatea cu adev?rat fantastic? a acestora, participarea extrem

de activ? a bacteriilor la procesul de formare a scoar?ei p?mвntului, la

formarea sedimentar?, z?c?mintelor de petrol, c?rbune, metale ?i a

celorlalte minerale utile

Pe uscat activitatea biologic? a bacteriilor a pus temeliile regnului

vegetal, inclusiv bazele agriculturii - solul roditor. Savan?ii consider?

c? solul este un laborator microbiologic al naturii.

Plantele agricole absorb din sol anual peste 110 mln tone de azot. Odat?

cu sporirea recoltei cre?te ?i consumul de azot de c?tre plante. Oamenii оi

restituie solului оn form? de оngr???minte minerale numai jum?tate din

azotul absorbit de plante, de aceea, dac? n-ar exista microorganizmele care

asimileaz? azotul din aer, lanurile ar fi de mult sec?tuite

Un mare aport оn fondul «azotului biologic» оl aduc оn primul rвnd

bacteriile care tr?iesc оn nodozitd?ile de pe r?d?cinile plantelor

leguminoase. Tocmai ele fixeaz? azotul liber ?i оl transmit plantelor. Cele

mai bune culturi de bacterii radicicole sunt utilizate la prepararea

nitraginei - оngr???mвnt bacterial care este introdus оn sol оmpreun? cu

semin?ele leguminoaselor pentru a intensifica fixarea azotului din

atmosfer?.

La fabricile industriei microbiologice bacteriile ?i drojdiile se

utilizeaz? cu succes la fabricarea unui produs nutritiv de valoare - a

concentratului de protein?-vitamin?. Savan?ii se st?ruie cu insisten?? s?

creasc? prin metodele ingineriei genetice ni?te microbi оn stare s?

«m?nвnce» petrolul ?i consider? aceste organisme drept prieteni, nu

du?mani, deoarece ele vor ajuta la purificarea suprafe?ei m?rilor ?i

oceanelor de petrolul care ar nimeri оn ele оn cazurile de avariere a

petrolierelor. Academicianul A. A. Im?ene?chii consider?, pe bun? dreptate,

c? оmp?r?irea microbilor оn microbi d?un?tori ?i microbi utili, оn microbi

buni ?i microbi r?i este foarte conven?ional? ?i nu totdeauna just?. F?r?

activitatea gigantic? a acestor sanitari, inaccesibili ochiului nostru, apa

?i p?mвntul demult ar fi acoperi?i cu resturi de plante ?i cadavre ale

animalelor ?i pe?tilor.

Оn lumea microbilor au fost descoperite fenomene noi, cu totul

nea?teptate, cu adev?rat «minunate» S-a constatat, bun?oar?, c? bacteriile

elimin? оn mediu ambiant ?i asimileaz? din el unele gene ?i chiar blocuri

оntregi de gene sub form? de fragmente de ADN. A?a se realizeaz? metoda de

schimb de informa?ie ereditar? оntre microorganismele necunoscute оnainte

?i оntre cele ce apar?in speciilor оndep?rtate.

Majoritatea covвr?itoare a microorganismelor descoperite pвn? оn prezent

ne sunt prietine, оn anumite condi?ii ele pot fi utilizate cu eficacitate

оn interesele omului. Important este s? fie utilizate «la maximum» formele

de microorganisme produc?toare de protein? ?i de substan?e cu activitate

biologic? atвt de necesare pentru medicin?, agricultur?, diferite ramuri

ale industriei, precum ?i de microorganisme capabile s? extrag? metale

neferoase, nobile ?i rare, s? distrug? resturile de pesticide, de?eurile

materialelor sintetice care polueaz? mediul ambiant.

Оn anii r?zboiului al doilea mondial frontul ?i spatele frontului aveau

nevoie de substan?e medicamentoase antimicrobiene de mare eficien??.

Medicii ?tiau c? оnc? оn anul 1929 microbiologul englez A. Fleming a

descoperit c? ciuperca de mucegai, penicilium, secret? ni?te substan?e

nimicitoare pentru bacterii ?i care nu sunt d?un?toare pentru celulele

omului ?i animalelor. Оn anul 1941 savan?ii de la Universitatea din Oxford

(SUA) au creat pe baza acestor date primul preparat antibiotic penicilina,

despre оnsu?irile lui t?m?duitoare circulau legende.

Microbiologii din fosta URSS n-au avut la dispozi?ie o tulpin? (o

cultur?) asem?n?toare de ciuperc? de mucegai care s? produc? penicilina. S-

au оnceput c?ut?ri оndelungate ?i dificile pentru a g?si un produc?tor

propriu 3. Ermoleva ?i T. Balezina, colaboratoare la Institutul unional de

medicin? experimental?, controlau pe rвnd activitatea biologic? a

diferitelor probe de ciuperc? de mucegai ?i numai una dintr-o sut? de probe

- penicilium crustozum s-a dovedit a fi potrivit?. Ea a devenit

«produc?torul» preparatului de penicilin?.

Оn anul 1944 dintr-o alt? cuperc?-actinomicet? a fost separat?

streptomicina. Acest antibiotic a devenit pentru mult timp substan?a

medicamentoas? fundamental? contra multor boli: tuberculoz?, pest?,

tularemie, bruceloz? ?. a. Оn multe ??ri au fost organizate lucr?rile оn

vederea c?ut?rii de noi specii de actinomicete, produc?toare de

antibiotice. Dac? pвn? la descrierea streptomicinei microbiologii cuno?teau

35 de specii de actinomicete, оn prezent se cunosc sute de acestea.

Astfel pe parcursul studierii resurselor inepuizabile ale

microorganismelor s?lbatice (naturale), microbiologii asemeni geologilor,

care efectueaz? lucr?rile de explorare a minereurilor utile, caut? ?i

g?sesc mereu noi specii ?i tulpini de bacterii, ciuperci, virusuri cu

caractere ?i оnsu?iri utile, descoper? capacit??ile ?i «talentele» lor.

Dintre aceste ciuperci fac parte ?i ni?te organisme monocelulare enigmatice

- drojdiile.

La multe fabrici de drojdii furajere sunt instalate aparate ce produc 28-

30 tone de mas? biologic? uscat? pe zi. O ton? de drojdii con?ine

aproximativ 500 kg de protein? digerabil?. Prin urmare, оn fiecare dintre

aceste aparate (fermentiere) se formeaz? оntr-o zi aproape 15 tone, iar

оntr-un an 4-5 mii tone de protein? digerabil? de оnalt? calitate. Este

mulg sau pu?in?

Un fermentier este egal ca productivitate cu aproximativ 4-5 complexe de

cre?tere a porcilor a cвte 100 mii de porci fiecare. Aceste cifre

demonstreaz? conving?tor ce prezint? sinteza microbian?, cвt de mare este

intensitatea ?i productivitatea ei.

E de la sine оn?eles c? drojdiile nu au calit??ile c?rnii de vit? sau ale

celei de porc. Din ele nu se pot prepara biftecuri. Dar nutre?urile оn care

se adaug? drojdii ?i alte substan?e microbiologice - vitamine, fermen?i,

aminoacizi - fac minuni. Animalele tinere devin mai s?n?toase, mai

puternice, cresc ?i se dezvolt? mai repede, spore?te prolificitatea

femelelor, se ridic? sporul оn greutate, iar termenele de оngr??are se

reduc. Proteina ce se con?ine оn drojdii este doar mai bine echilibrat? din

punct de vedere al componen?ei aminoacizilor (lizin?, metionin?, triptofan,

treanin?) indispensabili, decвt proteinele cerealierelor. Drojdiile de

nutre?, fiind un concentrat natural de protein?, vitamine ?i alte substan?e

biologice active, оntrec dup? valoarea lor biologic? cu mult boabele de

graminee. Se ?tie, c? dac? la un kilogram de gr?un?e de grвu se adaug?

numai patru grame de lizin?, 1,5 grame de treanin?, proteina acestei pвini,

conform valorii biologice, aproape nu se va deosebi de cazein? - proteina

principal? a laptelui.

Se mai ?tie c? animalele pot utiliza cu eficacitate numai o parte de

protein? din nutre? care este propor?ional? cu partea cea mai deficitar? a

aminoacidului indispensabil. De aceea dac? cel mai valoros component al

boabelor furajere - proteina - nu este echilibrat? dup? lizin?, organismul

animalelor o cheltuie?te nu pentru formarea de carne, lapte, ou? ?. a., ci

оn calitate de combustibil - pentru necesit??ile energetice, lucru ce nu

este deloc convenabil. Acela?i lucru se оntвmpl? dac? cerealele furajere

con?in o cantitate insuficient? de al?i aminoacizi - triptofan ?i treonin?.

Drojdiile оntrec mult dup? calit??ile lor nutritive toate celelalte

plante superioare. De aceea ele au g?sit o utilizare larg? оn calitate de

adaos furajer. Ele «se hr?nesc» cu pl?cere cu hidrocarburi de petrol,

purificвnd mediul ambiant de ace?ti poluan?i. Lista «bunelor servicii» ale

lumii fiin?elor invizibile poate fi continuat? la infinit. Industria de

producere a acestor celule vii are ca scop tocmai transformarea microbilor

оn produc?tori cu profil larg, mai ales ?inвndu-se cont de viteza cu care

ele fabric? produsele. Vom aduce aici urm?toarea compara?ie a lui B.

Neiman: dac? s-ar ini?ia o competi?ie - cine va putea da mai mult?

produc?ie, de exemplu de cea mai valoroas? protein?, comunitatea celulelor

microbiene mici la infinit ?i-ar dovedi cu siguran?? superioritatea fa?? de

un taur.

Aducem calculul lui B. Neiman: taurul cu o greutate vie de 300 kg dup? o

zi de оngr??are intens? spore?te оn greutate cu 1,1-1,2 kg, inclusiv cu 20

grame de protein?. 300 kg de celule de drojdii timp de o zi dau un spor de

25-30 mii kg de mas? biologic?, care con?ine II-13 mii kg ^ protein?

digerabil?.

A?a dar, drojdiile acumuleaz? proteina de 100 mii de ori mai repede decвt

organismul unui taur! Iar bacteriile acumuleaz? masa biologic? ?i proteina

оnc? mai repede decвt drojdiile. Dup? componen?a lor chimic? ?i structural?

aminoacizii bacteriilor, drojdiilor, plantelor superioare ?i animalelor

sunt absolut identice. De aceea insuficien?a de lizin?, bun?oar? din

furajul animalelor sau din hrana omului, poate fi compensat? cu lizina

bacteriilor sau drojdiilor. ,

?tiin?a contemporan? a pus оn fa?a industriei de producere a celulelor

vii, a microbiologiei industriale, care оn strвns? alian?? cu industria

biochimic? ?i ingineria genic? formeaz? esen?a noii orient?ri, numit?

biotehnologie - sarcini complicate, de mare r?spundere.

S? examin?m acum оn mod separat unele aspecte ale biotehnologiei.

11.2 Ingineria genic? оn natur?: transforma?ia, transduc?ia ?i conjugarea

la bacterii

Pentru a оn?elege de ce microbii au ocupat un loc atвt de important оn

ingineria genic?, trebuie s? ne familiariz?m m?car оn mod sumar cu metodele

uimitoare ale schimbului de informa?ie genetic?, ce le ofer? natura.

Celula bacterian? se оnmul?e?te prin diviziune simpl?, dup? care dintr-o

celul? se formeaz? dou?, ?i fiecare din ele con?ine cвte un analog propriu

al nucleului - nucleoidul cu ADN. De aceea celula matern?, оnainte de a se

diviza, trebuie s? aib? dou? genome absolut identice, cu alte cuvinte, dou?

molecule de ADN pentru a transmite una din ele celulei-fiice, iar pe

cealalt? pentru a o p?stra pentru ea. Оnainte de diviziune celula matern?

оncepe s? sintetizeze o copie exact? a ADN-ului s?u. Deoarece procesul

оnmul?irii se produce f?r? participarea organismului masculin, celula-fiic?

poate mo?teni numai genele mamei - supersolitare. Ambele celule noi vor

avea garnitura de gene absolut identice.

Va fi bine dac? a?a va continua din genera?ie оn genera?ie? Din cauza

lipsei unor combina?ii ereditare noi selec?ia natural? ar fi r?mas

«?omer?», ?i evolu?ia n-ar fi avut nici o ?ans? de reu?it?.

Pentru a оnfrunta aceste piedici, natura a inventat multe metode, uneori

uimitor de simple, alteori cu adev?rat fantastice.

Оn primul rвnd, trebuie s? ne oprim asupra muta?iilor, adic? a

modific?rilor оn gene, mo?tenite de celulele-fiice. Despre ele am mai

pomenit. Dar probabilitatea muta?iilor este foarte mic?. Afar? de aceasta,

majoritatea lor covвr?itoare poate provoca apari?ia unor caractere ?i

оnsu?iri inutile sau d?un?toare, descenden?a purt?toare de aceste muta?ii

va fi rebutat? pe parcursul selec?iei naturale. Tocmai aici va apare o alt?

descoperire - recombinarea - un mijloc de schimb de informa?ie genetic? оn

lumea fiin?elor invizibile.

Ca exemplu al acestui fapt serve?te capacitatea uimitoare a bacteriilor

de a absorbi din mediul ambiant gene str?ine ?i de a degaja gene proprii.

Acest fenomen se nume?te transformare. Despre el am men?ionat оn leg?tur?

cu studierea naturii factorului care оl provoac?.

Transformarea este larg r?spвndit? printre procario?i оn condi?ii

naturale. Ea se produce ?i оn celulele animalelor.

Cum se produce ea оn cazul transform?rii schimbului de material genetic?

Оn ciclul de dezvoltare a bacteriilor apare periodic o stare specific?,

cвnd peretele celulei devine penetrabil pentru ADN. Celula care se afl? оn

aceast? stare se nume?te celul? competent?, ea poate absorbi din mediul

ambiant o mare cantitate de ADN str?in. Оn acest scop la оnceput ea secret?

o protein? special?, care se fixeaz? de acest ADN, dup? care ADN-ul str?in

este absorbit de celul? asemeni unei frвnghii, care este tras? de un cap?t

al ei.

Ce se оntвmpl? cu ADN-ul absorbit? Aproape jum?tate din el se scindeaz?,

iar partea r?mas? este utilizat? ca surs? pentru noua informa?ie genetic?.

La оnceput sistemele fermentative ale celulei desfac spirala dubl? a ADN-

ului, apoi o descheie ca pe un fermoar ?i taie оn fragmente filamentele de

transmisie ob?inute. Dup? aceasta pe fiecare fragment care con?ine o gen?

«str?in?» se construie?te ca pe o matri?? a doua caten? ?i sectorul

spiralei duble construit astfel se оncorporeaz? оn ADN-ul propriu al

celulei (fig. 24).

La bacterii, spre deosebire de eucario?i, schimbul de blocurile gata de

ADN este posibil nu numai оntre organismele de aceea?i specie, dar ?i оntre

cele de diferite specii, genuri ?i chiar familii, ceea ce conduce la

modific?ri оn salturi a propriet??ilor ereditare.

Cercetarea multilateral? a procesului natural de transformare la bacterii

a deschis calea spre dirijarea eredit??ii microorganismelor, spre ingineria

genetic? ?i biotehnologia modern?.

Transformarea determin? schimbul direct, nemijlocit de blocuri de ADN

оntre bacterii. Dar, dup? cum s-a constatat, natura mai are alte metode de

transmitere a genelor de la o bacterie la alta.

Deseori transportori de gene aparte sau de grupe de gene sunt virusurile

bacteriilor - bacteriofagii. Nu fagii agresivi (virulen?i) care, p?trunzвnd

оn celul? ?i оnmul?indu-se rapid, o devoreaz?, o distrug, o dizolv? ?i,

dup? ce ies din ea, se n?pustesc asupra celorlalte celule. Ace?tia sunt

fagi pa?nici, a?a-zi?ii fagi modera?i.

Dup? ce au p?trunse оn celul?, ADN-ul ?i ARN-ul lor se insereaz? оn

cromozomul bacteriei-gazde ?i se transform? оn profag. Fagul inserat оn

genomul bacteriei (sau care i s-a aliniat) se оnmul?e?te оmpreun? cu el, se

transmite celulelor-fiice ?i se r?spвnde?te оn felul acesta оn popula?ie.

El nu-?i pierde оns? «esen?a sa de lup». Dac? aceste celule nimeresc оn

condi?ii nefavorabile, fagul о?i leap?d? «blana de oaie» ?i distruge celula

ce l-a ad?postit. Separвndu-se de genomul celulei, fagul ia cu dвnsul o

parte din genele acestuia. Fagul moderat, molipsind o alt? celul? ?i

inserвndu-se оn ADN-ul ei, aduce aici atвt genele sale, cвt ?i pe cele

«furate» de la fosta gazd?, modificвnd ereditatea celulei noi. Acest proces

se nume?te transduc?ie (fig. 25).

Cunoscutul geneticiian S. Alihanean a men?ionat c? genele donorului

transdus (adic? transportate de fag) joac? rolul de «pasageri», iar fagul -

de «birjar».

Lipsa la bacterii a оnmul?irii sexuale, caracteristice pentru eucario?i,

p?rea c? trebuie s? complice recombinarea genelor ?i a genomilor, prin

urmare ?i evolu?ia lor. Dar descoperirea la bacterii a factorilor

acromozomici - a plazmidelor, a introdus оn aceste no?iuni rectific?ri

serioase.

Savan?ii au constatat c? plazmidele sunt independente de ADN-ul celulei

?i se pot оnmul?i independent, pot produce propriile copii. Plazmidele

poart? gene care atribuie bacteriilor unul sau cвteva caractere, de exemplu

rezisten?? fa?? de preparatele medicamentoase, capacitatea de a sintetiza

substan?e active biologice ?. a. Plazmida poate, ca ?i fagul, s? se

insereze оn cromozomul bacteriei ?i s? se separe de el. Asemenea fagului ea

las? uneori оn cromozom una sau cвteva gene proprii ?i la plecare duce cu

ea gene ale gazdei. Оn aceste cazuri propriet??ile ereditare atвt ale

celulei, cвt ?i ale plazmidei se pot modifica оn mod sim?itor.

S-a stabilit c? un tip aparte de plazmide, numite plazmide F (prima

liter? a cuvвntului englez «fertilitate»), reconstituie la bacterii un

proces asem?n?tor celui sexual.

Bacteria purt?toare a plazmidei F ob?ine оnsu?iri ale donatorului - ale

organismului masculin. Pe suprafa?a acestei celule se formeaz? vilozit??i

fine. Cвnd se оntвlne?te cu bacteria feminin? care nu con?ine plazmida F

(ea e numit? recipient), bacteria masculin? «se c?s?tore?te» cu ea, se

conjug?, unindu-se cu ajutorul vilozit??ilor tubulare. Pe aceast? punte

prin canalul de vilozit??i acoperit se transmite plazmida F ?i celelalte

plazmide din celula donatorului оn celula feminin?.

Dac? plazmida F s-a оncorporat оn componen?a cromozomului celulei,

lucr?rile se vor desf??ura altfel. Plazmida provoac? ruptura uneia din

cele dou? catene de ADN ale donatorului, dup? care cap?tul liber al

filamentului cu o singur? caten? se transmite prin canalul vilozit??ii

bacteriei feminine, unde pe acest filament se sintetizeaz? оndat? catena

lui complimentar?. Plazmida F parc? оmpinge din spate segmentul ADN al

donatorului spre celula feminin?. Astfel cu ajutorul plazmidei F cromozomul

donatorului sau o parte a lui se transmite celulei recipientului. Ultima

cap?t? caractere noi, care nu-i sunt proprii dar care sunt caracteristice

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33