Современная генетика

pentru donator. Astfel se produce amestecul caracterelor ereditare a dou?

celeule diferite. Nu este oare acesta un adev?rat proces sexual? (fig. 26)

Plazmida F, dup? ce a p?truns оn celul?, produce curвnd descenden?a sa.

Celula feminin?, devenind st?pвn? a acestei plazmide, ce transform?

imediat оn donator ?i, venind оn contact cu alte celule feminine, le

transmite factorul F ?i celorlalte plazmide, de exemplu plazmida R.

Plazmida R (R-prima liter? a cuvвntului «rezistent») transmite bacteriilor

imunitatea pentru antibiotice ?i pentru preparate medicamentoase.

R?spвndirea fulger?toare a acestor plazmide prezint? un mare pericol, c?ci

chiar cele mai eficiente mijloace de combatere a bolii infec?ioase devin

inactive. Оn asemenea cazuri trebuie schimbat de urgen?? medicamentul.

Interesant este c? оn condi?ii naturale plazmidele R se оntвlnesc mai des

la bacteriile patogene, contra c?rora medicii duc o lupt? permanent?. Prin

urmare, utilizarea larg? a antibioticelor contribuie la selectarea unor

bacterii, ce con?in plazmida R, rezistente la aceste antibiiotice.

Bacteriile manifest? caractere de mare valoare оn lupta pentru existen??

оn condi?ii extremale. Oare nu este aceasta o adev?rat? inginerie genic?,

care are loc оn natur??

Toate aceste unelte ?i subterfugii fine, elaborate de lumea microbilor pe

parcursul luptei crвncene pentru existen??, trebuie оnsu?ite pentru a-i

sili pe muncitorii microlumii s? ac?ioneze spre binele omenirii.

11.3 Ameliorarea microorganismelor

Separarea din natur? a unor noi tulpini de microorganisme prezint? doar

prima etap? a muncii de selec?ionare. Sarcina ulterioar? const? оn

ridicarea gradului de calificare a acestor microbi. Savan?ii caut? s?

оn?eleag? nu numai tehnologia proceselor de sintez? ?i de metabolism din

celulele microbiene, dar ?i s? descopere posibilit??ile de ameliorare, de

perfec?ionare, de modificare a eredit??ii cu ajutorul acestei tehnologii.

Оn prezent industria microbiologic? utilizeaz? mii de tulpini ale multor

sute de specii. Ele au fost izolate de sursele naturale ?i ameliorate prin

intermediul mutagenezei induse ?i selec?iei ulterioare a caracterelor

utile. Pentru antrenarea poten?ialului genetic al unui num?r tot mai mare

de microorganisme, la construirea tulpinilor industriale sunt utilizate

atвt microorganismele «de model», cвt ?i tulpinile folosite оn industria

microbiologic?.

Оn calitate de model de baz? se utilizeaz? cunoscutul bacil coli,

mul?umit? c?ruia biologia molecular? modern? a atins ni?te culmi

nemaiv?zute; de el ?in ?i primele succese importante оn domeniul

biotehnologiei ?i ingineriei genice.

Exist? tulpini de bacili coli produc?tori de hormoni (somatostatin?,

somatotropin?, insulin? ?. a.), de aminoacizi (treonin?, prolin?,

homoserin? ?. a.), de diferi?i interferoni ?. a.

Printre tulpinile utilizate оn industria microbiologic? men?ion?m оn

primul rвnd drojdiile, bacilii, ciupercile inferioare, actinomicetele ?. a.

Ele toate produc substan?e variate de mare valoare biologic?. Men?ion?m c?

оn prezent 70% din antibiotice se produc numai cu ajutorul actinomicetelor.

Este cea mai mare subramur? a industriei microbiologice mondiale, care

aduce un venit anual de 8-9 miliarde de dolari.

Bacteriile de genul pseudomonas con?in plazmide purt?toare ale genelor

degrad?rii biologice a compu?ilor organici, inclusiv a acelora care nu se

оntвlnesc оn natur? (de exemplu, pesticidele), fapt ce deschide mari

perspective оn utilizarea lor pentru protec?ia mediului ambiant.

Selectarea tulpinilor de microorganisme cu оnalt? productivitate a

ob?inut оn unele decenii mari succese pe baza realiz?rilor multor ?tiin?e.

Geneticiienii ?i selec?ionatorii, utilizвnd pentru provocarea muta?iilor

mutagenele chimice ?i radia?iile ionizate, au ob?inut noi tulpini care

оntrec ca productivitate de 100 ?i chiar de mai multe ori formele ini?iale.

Dac? penicilina a devenit оn prezent accesibil? fiec?ruia, aceasta se

explic?, оn primul rвnd, prin faptul c? selec?ionatorii au crescut o

cultur? de microorganisme cu o capacitate de 20-25 mii de unit??i la un

mililitru cub de mediu, оn loc de 100 de unit??i, ob?inute la tulpinile

ini?iale. Conform opiniei lui S. Alihanean, aceasta оnseamn? c? оn loc de

200 de fabrici de penicilin? este destul s? avem doar una singur?.

Prin metoda conjug?rii la pseudomonade a fost realizat? cu succes

transferarea genelor ?i construit? o tulpin? ce are drept surs? de carbon

unul din cei doi componen?i ai «substan?ei de oranj» - un defoliant toxic

pentru oameni, folosit pe larg de SUA оn r?zboiul din Vietnam. Aducem оnc?

un exemplu despre geneticiienii ?i selec?ionatorii care оn colaborare cu

inginerii genici «domesticesc» microbii ?i creaz? pentru industrie noi

tulpini cu caractere proiectate. Este vorba despre crearea de c?tre

savan?ii Institutului de cercet?ri ?tiin?ifice оn domeniul geneticiii ?i

selec?iei microorganismelor industriale (IUC?) a unei tulpini noi de

bacterii produc?toare de treonin?.

Treonina, la fel ca ?i lizina, este necesar? pentru оmbog??irea

nutre?urilor ?i produselor alimentare. Aminoacizii lizina, metionina,

treonina ?i izoleucina, оn ordinea оn care sunt prezentate aici, sunt

sintetizate de bacterii din acid asparagic. Aici se respect? ordinea

urm?toare: ca s? oprim sinteza, de exemplu, la etapa de lizin?, trebuie s?

оnchidem drumul pentru transform?rile continue ale acidului asparagic оn

metionin?, treonin? ?i izoleucin?. ?i atunci оn bacterie оncepe

suprasinteza, adic? producerea accelerat? a lizinei. Iar dac? este nevoie

de reducerea intens? a treoninei, trebuie blocat? transformarea ei continu?

оn izoleucin?.

Speciali?tii IUC? оn domeniul geneticiii microorganismelor, оn frunte cu

directorul s?u V. Debabov, au ales pentru efectuarea cercet?rilor lor

colibacilul de care ?in multe din succesele ob?inute оn ingineria genetic?.

Sectorul ADN al acestei bacterii, responsabil pentru sinteza treoninei

(acest sector poart? numele de operon), este compus din trei gene ?i din

regiunea reglatoare care le dirijeaz?. Acest operon codific? formarea a

patru fermen?i care transform? succesiv acidul asparagic оn treonin?, iar

apoi оn izoleucin?.

Cu pre?ul unor mari eforturi savan?ii au reu?it s? provoace muta?ii ale

genelor operonului, datorit? c?rora celulele mutante au оncetat a sintetiza

izoleucina, acumulвnd astfel mai mult? treonin?.

Dar ?i aceste celule sintetizau foarte pu?in? treonin?. Atunci оn ele a

fost inserat cu ajutorul fagului o gen? special?, al c?rei produs activiza,

la rвndul s?u, munca genelor responsabile pentru sintetizarea treoninei.

Dup? efectuarea acestei opera?ii celulele colibacilului au оnceput s?

elaboreze cвte 2-3 grame de treonin? la un litru de lichid cultural.

Оnceputul promitea multe, cu toate c? pentru a fi bun? pentru produc?ia

industrial? tulpina trebuia s? produc? cel pu?in de 10--15 ori mai mult

aminoacid de acest fel.

Ce se putea face? ?i aici speciali?tii ?i-au concentrat aten?ia asupra

uneia din particularit??ile foarte importante ale plazmidelor, care,

p?trunzвnd оn bacterie, оncepe s? se reproduc? repede ?i formeaz?, de

obicei, 15-20 de copii. Dac? оns? оn mediul cultural se introduce ?i

cloramfenicolul, оn celul? se opre?te sintetizarea proteinei ?i spore?te

brusc num?rul de copii ale plazmidei. Uneori ele ating cifra de 3000.

Tocmai acest fapt le-a sugerat savan?ilor cum s? procedeze оn acest caz.

Ini?ial, cu ajutorul fermen?ilor respectivi, ei au t?iat din cromozomul

tulpinii de bacterie ob?inute оnainte un fragment de ADN, care con?inea un

operon de tulpin? cu toate cele trei gene ale sale ?i cu sectorul de

reglare. Dup? aceasta, оn laboratorul de inginerie genic?, operonul a fost

inserat оntr-o plazmid?, iar ea - оntr-o alt? bacterie de aceea?i tulpin?.

Plazmida hibrid? s-a оnmul?it acolo ?i a intensificat sinteza treoninei. Оn

48 de ore de fermentare aceast? nou? tulpin? sintetiza aproape 20 grame de

treonin? la un litru de lichid cultural, iar cвnd au fost ameliorate

condi?iile de cultivare a tulpinii, оn 30 de ore au оnceput s? se acumuleze

aproape 30 de grame de treonin?.

Astfel a fost creat? pentru оntвia oar? оn lume o tulpin? industrial? de

microorganisme, care sintetizeaz? treonina, unul din aminoacizii cei mai

importan?i pentru cre?terea animalelor. Pentru оntвia oar? оn lume aceast?

tulpin? a fost ob?inut? printr-o metod? de construire a ingineriei genice

numai оn trei ani; separarea unor noi tulpini prin metodele tradi?ionale de

selectare dura zeci de ani.

11.4 Industria ADN ?i biotehnologia

Pe parcursul ultimilor ani ia na?tere o nou? ramur?, absolut nou?, de

produc?ie material? - biotehnologia, care utilizeaz? procesele ?i sistemele

biologice pentru a ob?ine cele mai diverse produse.

Oamenii au оnsu?it unele metode biotehnologice оnc? din timpurile

str?vechi. ?i procesele de fermenta?ie care permit ob?inerea produselor

acidolactice, pвinii, o?etului ?. a. fac parte din domeniul biotehnologiei.

Оn ultimele dou?-trei decenii, datorit? schimb?rilor radicale ce s-au

produs оn ?tiin?a biologic?, s-a ridicat la un nivel calitativ nou ?i

biotehnologia. Datorit? acestor realiz?ri omul poate azi nu numai s?

foloseasc? microorganismele «gata», dar ?i s? modifice programul genetic al

celulelor lor, s? le imprime caractere cu totul noi: tocmai оn aceasta din

urm? const? sarcina ingineriei genetice moderne.

Datorit? dezvolt?rii biologiei moleculare ?i ingineriei genice,

biotehnologia a devenit o metod? universal? de ob?inere оn orice propor?ii

a celor mai diverse substan?e organice, permi?вndu-ne s? renun??m la

procesele tehnologiei chimice care-s voluminoase ?i deseori pu?in eficace.

Savan?ii ?i-au concentrat aten?ia оn primul rвnd asupra problemelor de

sintez? a hormonilor, care, al?turi de vitamine, servesc drept reglori de

mare importan?? ai metabolizmului ?i ai multor procese fiziologice din

organismul omului ?i animalelor.

Moleculele hormonilor au dimensiuni mici. Structura multor dintre ele a

fost studiat? detaliat, dar sinteza lor chimic? s-a dovedit a fi prea

dificil? ?i scump?. Deaceea savan?ii au ales оn acest scop o alt? cale:

sintetizarea prin metod? chimic? nu a proteinei-hormon, ci a unei gene

incomparabil mai simple care codific? sintetizarea hormonului necesar. Dar

pentru aceasta gena trebuie inserat? оn componen?a moleculei recombinante

de ADN ?i, sub comanda ei, s? se organizeze оn bacterie sinteza biologic? a

unui hormon uman de valoare complect?.

Pentru prima dat? a fost creat? prin metoda aceasta tulpina bacteriilor -

produc?toare de somatostatin?. Acest hormon este produs de lobul anterior

al hipofizei ?i regleaz? secre?ia unei serii de al?i hormoni, inclusiv a

hormonului cre?terii, insulinei ?i glicogenului. Somatostatina utilizat? оn

practica medical? se ob?ine din hipofiza vitelor cornute mari. Оns? din

punct de vedere chimic ea se deosebe?te оntrucвtva de hormonul amului ?i de

aceea nu d? оntotdeauna rezultatul dorit.

Molecula somatostatinei este compus? din 14 aminoacizi. Un grup de

experimentatori de la Universitatea din California (SUA), оn frunte cu G.

Boyer, au sintetizat o gen? оn care a fost codificat? formarea

somatostatinei. Apoi cu ajutorul plazmidei savan?ii au inserat aceast?

gen? оntr-un colibacil. Оntr-un timp scurt bacteria a sintetizat un volum

mic de lichid cultural ce con?inea o cantitate de hormoni care, de obicei,

se extrage din hipofiza a sute de mii de tauri.

Somatostatina a g?sit de acum o larg? aplicare la tratamentul bolilor

pancreasului (pancreatitelor ?i diabetului), precum ?i a acromegaliei -

cre?terea ne propor?ional? a p?r?ilor proeminente ale corpului. Aceasta a

fost o mare victorie a ingineriei genice. Astfel a devenit real?

posibilitatea de a se ob?ine gene artificiale pentru ceilal?i hormoni ?i de

a deschide perspective ademenitoare pentru producerea celor mai diferite

proteine, precum ?i a altor produse. Aceste produse pot fi ob?inute оn

cantit??i nelimitate, ele vor fi ieftine ?i, ceea ce este ?i mai important,

ac?iunea lor nu se va deosebi de cea a hormonilor omului ?i a altor compu?i

biologici activi.

Оn lobul anterior al hipofizei omului ?i animalelor se sintetizeaz? оn

afar? de somatostatin? un оntreg buchet de hormoni de natur? proteic?,

printre care cel mai cunoscut este hormonul cre?terii sau somatotropina.

Dac? organismul оn cre?tere duce lipsa lui, apare nanismul, iar dac? оl

con?ine оn cantit??i prea mari, apare gigantismul. Despre participarea

acestui hormon la reglarea cre?terii s-a aflat оnc? la оnceputul secolului

XX. Оn anul 1921 cu ajutorul extractului hipofizei au fost crescu?i ni?te

?obolani gigan?i.

Hormonul cre?terii se con?ine оn hipofizele animalelor cornute mari ?i s-

ar putea extrage оn cantit??i necesare. Dar s-a constatat c? somatotropina

este un hormon specific pentru fiecare specie: оn organismul uman

somatotropina animalelor cornute mari nu este activ?. Omul are nevoie de

somatotropina omului. Numai organismul ?obolanilor reac?ioneaz? la

somatotropina «str?in?» ca la cea «proprie».

Un grup de savan?i sub conducerea academicianului A. A. Baev, bazвndu-se

pe experien?a ob?inerii somatotropinei prin metodele ingineriei genice, s-a

apucat de sintetizarea somatotropinei pe cale microbiologic?. Ei ?tiau c?

pentru a sili colibacilul s? produc? somatotropina оn ADN-ul lui trebuie

inserat? o gen? care va dirija sintetizarea acestei proteine оn hipofiza

omului. Оn principiu aceasta se poate realiza, deoarece codurile genetice

ale omului ?i bacteriei sunt similare; aparatul biosintetic al celulei

bacteriene, оn?elat de aceast? asem?nare exterioar?, va produce proteina

de care n-are nevoie, la fel precum p?s?rile оn?elate clocesc pui de cuc.

Scopul era urm?torul: din celulele hipofizei trebuia ob?inut? o gen?,

care ar fi dirijat sinteza somatotropinei. Celula care sintetizeaz? activ

proteina urma s? con?in? numaidecвt o cantitate sporit? de ARNi, o copie a

genei preg?tit? parc? de оns??i celula care codific? succesiunea

aminoacid?. Acest proces biosintetic furtunos se produce оn celulele

tumorale ale hipofizei; o p?rticic? de ?esut tumoral cu o greutate de mai

pu?in de un gram a servit drept material ini?ial pentru ob?inerea genei de

somatotropin?.

Оn urma unor numeroase ?i foarte fine opera?ii de separare a genei din

p?rticica de hipofiz? a r?mas o cantitate infim? de ARNi. A dispune de

solu?ia pur? de ARNi, оnseamn? a avea o copie a genei, iar gena mai trebuia

preg?tit? оn corespundere cu copia. Оn acest scop s-a folosit un ferment

special numit revertaz? (trancriptaz? invers?), care ia automat o copie a

ARNi.

ADN-ul ob?inut este compus din catene unice, оn timp ce оn gen? fiecare

caten? de ADN trebuie s? fie unit? cu catena ei complimentar?. Opera?ia de

sintetizare a acestei catene complimentare o efectueaz? automat cunoscutul

ferment ADN - polimeraza 1.

Astfel preparatul care con?ine gena de somatotropin? nimere?te оn

eprubet?.

Sarcina urm?toare, care se afla оn fa?a experimentatorilor, consta оn

оnmul?irea acestei gene pвn? la ob?inerea unei cantit??i suficiente pentru

munca continu?. Оn acest scop era nevoie, оn afar? de fermen?i, de оnc? un

instrument universal ob?inut prin distrugerea оnveli?ului celulelor

colibacilului ce con?ine plazmide libere. Dup? tratarea plazmidelor cu

fermentul restrictaza care scindeaz? molecula de ADN оn sectoare strict

determinate, inelele plazmidei se desfac, transformвndu-se оn catene

liniare. Restrictaza are capacitatea de a face ca la polii moleculei rupte

de ADN s? apar? sectoare «lipicioase», formate din dou? catene

complimentare deschise, оns? dac? ?i gena separat? va fi оnzestrat? cu

asemenea poli «lipicio?i», plazmida, оnchizвnd inelul ei, va prinde cu

ajutorul lor ?i garnitura suplimentar? - gena somatotropinei. Anexarea

polilor «lipicio?i» de gena separat? este una dintre cele mai fine opera?ii

ale ingineriei genice. La оnceput pe cale pur chimic? se sintetizeaz? un

mic fragment de ADN, care reproduce cu exactitate succesivitatea

nucleotidelor capabile s? fie scindate de restrictaz?, apoi cu ajutorul

fermentului ligaza acest fragment de ADN este suturat de ambii poli ai

genei. Urmeaz? tratarea produsului cu restrictaz? ?i gena cu polii

«lipicio?i» este gata. Dac? aceast? gen? este amestecat? cu plazmidele

fragmentate ?i acest amestec este tratat cu ligaz?, toate rupturile se vor

uni ?i оn epruveta noastr? vom ob?ine nu o simpl? gen?, ci o gen? inserat?

оntr-o plazmid?.

Plazmida singur? nu este bun? pentru nimic. Dar dac? va nimeri din nou

оntr-o bacterie, ea va оnmul?i ?i gena inserat? оn ea. A?a c? gena de

somatotropin? se poate ob?ine оn orice cantit??i necesare. Ce urma s? se

mai оntвmple? Doar gena pe care am ob?inut-o deocamdat? «tace»: cu toate c?

se оnmul?e?te оmpreun? cu bacteriile, ea nu func?ioneaz?, nu d? comanda de

sintetizare a proteinei pe care o codific?. C?ci pentru a оncepe «s?

vorbeasc?», gena trebuie оnzestrat? cu elemente de semnalare, care induc

transcrierea (sinteza ARNi) ?i translarea (sinteza proteinei оn ribosome).

Оn acest scop din plazmidele colibacilului a fost separat fragmentul ADN

- promotor, care semnaleaz? necesitatea de a оncepe citirea informa?iei ?i

de a se sutura cu gena somatotroninei. Aceast? gen? capabil? de munc? a

fost din nou inserat? оn plazmide, iar plazmidele - оncorporate оn

bacterii, оnzestrвndu-le cu capacitatea de a sintetiza hormonul cre?terii.

Aceast? parte finala a fost numit? expresia genei.

Astfel colibacilul reconstruit a devenit un produc?tor extrem de activ de

somatotropin? a omului. Dintr-un litru de cultur? de bacterii ast?zi se

separ? atв?ia hormoni ai cre?terii, cвt s-ar fi putut ob?ine din cincizeci

de hipofize.

Оn schema descris? au fost omise multe opera?ii esen?iale. Am оncercat

doar s? reprezent?m aici оntr-o forma cвt mai simpl? munca enorm? ?i extrem

de fin?, оn care a fost antrenat un colectiv de savan?i pentru a separa

genele, a le modifica, amplifica (оnmul?i) ?i a le schimba expresia оn

celule str?ine cu scopul de a ob?ine anumite preparate medicamentoase.

Ne-am oprit inten?ionat mai detaliat asupra descrierii opera?iilor

principale de creare a somatotropinei prin metodele ingineriei genice

pentru a evita mai apoi repet?rile, deoarece aceste opera?ii sunt comune ?i

la sintetizarea altor compu?i activi d. p. d. v. biologic.

Оn realitate opera?iile ingineriei genice se reduc la crearea dintr-o

garnitur? de fragmente de ADN inactive a unei noi structuri genetice - a

unei molecule recombinate de ADN activ? d. p. d. v. fiziologic ?i care se

includea оn activitatea vital? a celulei. Din aceste considerente оn

deceniul al optulea оn ??rile dezvoltate au ap?rut firme speciale, care au

elaborat procese industriale bazate pe tehnologia ADN-ilor recombinan?i.

Aceast? nou? ramur? a industriei biologice a fost numit? industria ADN-

ului.,

La оnceput marile centre ?tiin?ifice ?i-au limitat activitatea la

ingineria genetic? a microorganismelor, mai tвrziu au оnceput a se ocupa

paralel cu ingineria genetic? a plantelor, animalelor, precum ?i cu

ob?inerea de anticorpi monoclonali.

Ingineria genic? ?i ingineria celular?, care se dezvolt? paralel cu ea,

au l?rgit posibilit??ile biotehnologiei ?i industriei bazate pe procesele

biologice. A devenit posibil? folosirea celulelor microbiene, vegetale ?i

animale, precum ?i a moleculelor ?i genelor sintetice. Despre acestea se va

vorbi оn capitolele urm?toare.

XII. INGINERIA GENETIC? LA PLANTE

12.1 Clonarea plantelor

Dac? vom оnfige оn p?mвntul umed o crengu?? de salcie sau de plop, ea va

da r?d?cini, va cre?te ?i se va transforma оntr-un copac falnic. Dintr-un

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