§ 59. БІОТЕХНОЛОГІЯ ТА ГЕННА ІНЖЕНЕРІЯ ТВАРИН

Основні напрями біотехнології сільськогосподарських тварин пов’язані з підвищенням їхньої плодючості (репродуктивні технології); клонуванням і генною інженерією. Пригадаємо: до репродуктивних технологій належать, зокрема, штучне запліднення, запліднення та отримання ембріонів «у пробірці».

Клонування тварин. На малюнку 59.1 зображено схему клонування ягняти Доллі (розгляньте її та пригадайте етапи цього процесу). Так, за допомогою пересаджування ядер соматичних клітин у яйцеклітини, які перед тим позбавляють ядер, отримують особину, генетично повністю ідентичну самці, від якої взято і яйцеклітину, і соматичну клітину (тобто її клон). Ця методика має неабиякий науковий інтерес, але вона ще недосконала і потребує великих витрат.

Мал. 59.1. Схема клонування ягняти Доллі

Цікаво знати

У 1958 р. британський біолог Дж. Гьордон (мал. 59.2) провів експеримент з пересадження в без’ядерні ікринки шпорцевої жаби ядер соматичної клітини пуголовків. З деяких розвинулися нормальні жаби.

Генетично модифікованих тварин отримують: за допомогою мікроін’єкції ДНК у запліднену яйцеклітину (мал. 59.3); уведенням генетично модифікованих ембріональних стовбурових клітин в ембріон на ранніх стадіях його розвитку; пересаджуванням генетично модифікованих ядер соматичних клітин в яйцеклітину; застосуванням векторів, створених на основі ретровірусів.

Після введення ДНК яйцеклітини чи бластоцити імплантують у «сурогатну матір». Після народження тварин ідентифікують на наявність трансгену (у середньому на 100 вагітностей отримують одну трансгенну тварину). Для цього трансгенну тварину схрещують із звичайними. Далі можна схрещувати нащадків такої тварини між собою для отримання чистих трансгенних ліній.

Чималим успіхом є отримання, розведення та офіційний продаж у Канаді та США генномодифікованої сьомги. У її геном додали ген гормону росту іншого, більшого за розмірами представника лососевих – чавичі. У результаті трансгенна риба росте і набирає масу значно швидше, на її розведення потрібно півтора року, а не три, як для звичайної сьомги.

Трансгенних тварин (кіз, овець, свиней, кролів) використовують для синтезу білків, які застосовують у фармакології. Вони виділяються прямо в молоко. Це, наприклад, фактори зсідання крові, фібриноген, колаген, інтерферони та багато інших. Отримано модифікованих птахів, які відкладають яйця, що містять деякі білки людини, наприклад інтерферони.

Мал. 59.2. Джон Гьордон (народ. 1933) – британський біолог. За праці в галузі біології розвитку та отримання індукованих стовбурових клітин у 2012 р. отримав Нобелівську премію з медицини (спільно з японським ученим Син’я Яманака).

Мал. 59.3. Отримання трансгенных тварин за допомогою мікроін’єкції ДНК у овоцити

Важливим напрямом є використання трансгенних тварин як генетичних моделей спадкових захворювань людини. Так, створюють два типи модельних тварин: трансгенні миші, у геном яких уведено ген людини, відповідальний за конкретне захворювання, і миші, у яких утрачено функцію цього гена. Якщо схильність до захворювання залежить від наявності в геномі одного з багатьох алелів, то створюються лінії трансгенних мишей, що несуть різні алелі цього гена. На цих моделях можна досліджувати вплив кількості копій гена та рівня його експресії на прояв захворювання, а також розробляти нові методи лікування. На моделі, у якої ген, що спричиняє захворювання у людини, неактивний, досліджують конкретні функції генів. Це важливо для аналізу причин генних захворювань людини.

Ключові терміни та поняття

клонування тварин, генна інженерія тварин.

Перевірте здобуті знання

1. Які репродуктивні технології використовують у біотехнології тварин? 2. Як здійснюють клонування тварин? 3. Як отримують генетично модифікованих тварин? 4. Які напрями застосування трансгенних тварин найбільш успішні?

1. Для яких ще цілей можна використовувати трансгенних тварин? 2. З якими проблемами можуть стикатися дослідники і дослідниці, створюючи трансгенних тварин?

Прикладна генетика

У другій половині XX ст. на стику генетики та молекулярної біології сформувалася нова потужна галузь науки — біотехнологія — наука про використання організмів, клітинних культур та біологічних процесів у промисловому виробництві. До біотехнологій належать генна інженерія та клонування сільськогосподарських рослин і тварин.

Щорічно у СІЛА саме на біотехнологію витрачають майже половину коштів, виділених для академічних наукових досліджень. її досягнення використовують у промисловості, медицині, сільському господарстві та багатьох інших сферах діяльності, однак невиважене застосування біотехнології може завдати значної шкоди як природі, так і людству.

Усі аспекти практичного використання генетики охоплює прикладна генетика.

Прикладна генетика — наука, що вивчає спадковість і мінливість різних форм живих організмів з метою використання одержаних даних у селекції рослин, тварин і мікроорганізмів, а також для розроблення методів лікування спадкових хвороб людини і тварин.

Досягнення прикладної генетики втілюються у впливах на живі організми — тварини і рослини — з метою отримання продукції вищої якості і у більших кількостях.

Генна інженерія

Потужним методом прикладної генетики та біотехнології, що дає змогу вивчати і змінювати генетичний код живих організмів, є генна інженерія. З її допомогою людина може змінювати інші організми для своїх потреб і лікувати спадкові хвороби.

Методи генної інженерії, що ґрунтуються на використанні бактерій.

Основні методи генної інженерії були розроблені в другій половині XX ст. на бактеріях. Вони полягали у введенні в організм нового гена. Цей ген можна синтезувати наново або перенести з іншого організму. Якщо в геном бактерії вбудувати ген, що кодує певний білок, клітина бактерії перетворюється на живу фабрику з продукування цього білка.

Одержання будь-якої кількості копій гена лише з одного його зразка називають клонуванням. Для клонування гена користуються т. зв. вектором, яким, як правило, є плазміда або бактеріофаг. Плазміда — це невеликий кільцевий фрагмент ДНК, виявлений у деяких бактеріях. Вона відокремлена від основної ДНК і реплікується незалежно від неї. Бактеріофаги (скорочено фаги) — віруси, які можуть вводити свою ДНК у бактеріальну клітину, де ця ДНК реплікується.

Фрагменти ДНК, тобто гени, які необхідно клонувати, за допомогою спеціального ферменту вилучають із геному організму-донора, а потім за допомогою іншого ферменту поєднують із плазмідною чи фаговою ДНК. Якщо таку гібридну ДНК ввести в бактеріальну клітину, то в процесі розмноження бактерії збільшується і кількість копій цієї ДНК. Модифіковані у такий спосіб бактерії здатні продукувати певні необхідні речовини (інсулін, гормон росту людини, коров’ячий соматотропін та ін.), чого в нормальних умовах вони робити не здатні.

Інсулін — гормон білкової природи, який утворюється в підшлунковій залозі і відіграє життєво важливу роль у регуляції вмісту цукру в крові. Недостача інсуліну є причиною цукрового діабету — тяжкого захворювання, через яке потерпає приблизно 3% населення земної кулі. Натепер більше 2 млн хворих на діабет у всьому світі користуються для лікування інсуліном, одержаним за допомогою модифікованих бактерій, у геном яких вбудовано ген інсуліну людини.

Гормон росту людини — білок, що виробляється гіпофізом і діє на всі тканини організму. Нестача цього гормона в дитинстві призводить до карликовості з нормальними пропорціями тіла. Для медичних потреб гормон росту отримують за допомогою бактерій з вбудованим в їх геном людським геном, що забезпечує синтез цього білка. Регулярні ін’єкції гормона росту хворим дітям відновлюють їхній зріст майже до нормального рівня.

Коров’ячий соматотропін — це гормон, подібний до гормона росту людини. Він теж виробляється в гіпофізі та стимулює поділ клітин у тілі тварин. Ген, що кодує коров’ячий соматотропін, був вбудований у геном бактерії. Ін’єкції навіть невеликих доз соматотропіну коровам збільшують продукування молока на 25%, а масу худоби, вирощуваної на м’ясо, — на 10—15%. Після припинення ін’єкцій маса корів та їх удійність поверталися до початкового рівня.

За допомогою генної інженерії стало можливим створення бактерій, здатних очищати поверхню водоймищ від нафтового забруднення. Спосіб хімічного очищення, який нині застосовують, надзвичайно шкідливий для живої природи. Проводяться успішні випробування створених штучно бактерій, які здатні руйнувати вуглеводні сполуки нафти.

Генетична перебудова рослин і тварин.

Багатоклітинні організми теж можна змінювати за допомогою генної інженерії. Генетично перебудовані з використанням методів генної інженерії організми прийнято називати транс генними.

Виведення трансгенних організмів є перспективною альтернативою традиційним методам селекції тварин та рослин. Поліпшення сортів рослин і порід тварин у традиційний спосіб — тривалий процес, який потребує 7— 12 років. Генна інженерія дає змогу створювати нові форми рослин і тварин з потрібними людині властивостями лише за кілька років. Трансгенні рослини чи тварини, як і бактерії, можуть стати дешевим і простим засобом виробництва достатньої кількості різноманітних корисних продуктів, і не тільки харчових.

§ 56. Сучасні методи селекції тварин, рослин і мікроорганізмів

Наука про селекцію — це застосування наукових принципів і методів до розведення тварин і рослин для різноманітних цілей, у тому числі для покращення їх якості, врожайності та ознак. Це включає використання таких методів, як селективне розведення, генна інженерія та гібридизація для отримання бажаних якостей. Розведення вимагає знань із ряду дисциплін, включаючи генетику, молекулярну біологію, фізіологію та популяційну біологію.

Соняшник однорічний (Helianthus annuus) є однією з основних культур України. Вітчизняні селекціонери працюють над створенням високоолійних, промислових і кондитерських сортів, стійких до паразитів (наприклад, вовчка соняшникового) й гербіцидів із застосуванням класичних і нових методів селекції. А якими є ці методи селекції?

Класичні методи селекції включають відбір рослин із бажаними ознаками, а потім використання методів схрещування для створення нового сорту, який включає ці ознаки. Зазвичай це робиться шляхом штучного відбору, коли рослини вибирають на основі їхніх фізичних характеристик, таких як розмір, форма, колір або врожайність. Нові методи розведення включають генну інженерію, яка є процесом маніпулювання генетичним кодом організму для створення бажаної ознаки. Це робиться шляхом додавання, видалення або зміни генів у ДНК організму. Цей процес часто використовують для створення сортів культур, стійких до хвороб, шкідників або гербіцидів. Його також можна використовувати для створення рослин з більшою врожайністю, покращеним живленням та іншими бажаними характеристиками.

Заповніть таблицю та сформулюйте висновок про необхідність поєднання класичних новітніх методів селекції.

Зрозуміло, що для успішного виведення нових сортів сільськогосподарських культур необхідне поєднання класичних і сучасних методів селекції. Класичні методи дозволяють відбирати рослини з бажаними ознаками, тоді як сучасні методи, такі як генна інженерія та гібридизація, можуть бути використані для створення сортів з підвищеною врожайністю та стійкістю до хвороб, шкідників та гербіцидів. Поєднання цих двох підходів дозволяє селекціонерам виводити сорти з найкращими характеристиками, що робить їх більш конкурентоспроможними на ринку.

Цукровий буряк (Beta vulgaris saccharifera) є різновидом буряку звичайного. Це найважливіша технічна рослина в Україні. Для її вирощування в буряківництві використовують лише насіння гетерозисних гібридів. Які переваги мають гетерозисні гібриди цукрового буряку порівняно із сортами-популяціями?

Основна перевага гетерозисних гібридів цукрових буряків порівняно з сортами-популяціями полягає в тому, що вони мають вищу врожайність, вищу цукристість, більшу стійкість до хвороб, кращу схожість, більшу вирівняність порівняно з сортами-популяціями. Гетерозисні гібриди також зазвичай мають вищу стабільність врожаю, тому на них менше впливають коливання погодних умов чи інших факторів навколишнього середовища. Крім того, вони більш ефективні з точки зору використання ресурсів, оскільки потребують менше добрив і води, ніж сорти-популяції. Нарешті, гетерозисні гібриди можна вирощувати для отримання певних характеристик, таких як стійкість до хвороб або більш висока врожайність, що робить їх більш придатними для конкретних умов вирощування.

Голландська порода ВРХ – найдавніша й найбільш поширена порода корів молочного напряму, що її розводять у 33 країнах п’яти континентів. Виведена вона в Голландії внаслідок довготривалого поліпшення місцевої голландської породи в умовах доброї годівлі та належного утримання. Нині діяльність селекціонерів спрямована на підвищення жирності молока. А які методи використовують науковці для селекційного поліпшення породи?

Вчені зазвичай використовують селекційне розведення для покращення певної породи, оскільки це менш дорого й займає багато часу, ніж інші методи, такі як генна інженерія. При селекційному розведенні особини з бажаними ознаками вибираються та розводяться разом для отримання потомства з бажаними характеристиками. Цей процес повторюється протягом кількох поколінь, доки бажана ознака не буде стабільно виражена в популяції. Вчені також можуть використовувати схрещування та гібридизацію для покращення породи, що передбачає введення нового генетичного матеріалу в популяцію. Нарешті, вони можуть використовувати такі методи, як штучне запліднення та перенесення ембріонів, щоб прискорити процес селекційного розведення.

1. Які методи селекції належать до основних?

Двома основними методами відбору є описова статистика та статистика висновків. Описова статистика надає інформацію про характеристики набору даних, такі як середнє значення, медіана та мода даних. Інференційна статистика дозволяє нам робити прогнози та узагальнення на основі вибірки даних. Інші методи відбору включають кореляційний аналіз, регресійний аналіз, перевірку гіпотез і факторний аналіз.

2. Наведіть приклади нових методів селекції рослин, тварин і мікрорганізмів.

Деякі з нових методів розведення рослин, тварин і мікроорганізмів включають генну інженерію, редагування генів, штучний відбір і селективне розведення. Генна інженерія передбачає введення чужорідної ДНК в організм, тоді як редагування генів передбачає зміну існуючого генетичного коду. Штучний відбір — це процес навмисного відбору організмів з бажаними ознаками, тоді як селективне розведення — це процес вибору найбільш бажаних ознак із популяції та розведення організмів, які мають ці ознаки. Ці методи використовуються для модифікації або створення нових сортів рослин, тварин і мікроорганізмів.

3. Що таке гетерозис?

Гетерозис, також відомий як гібридна сила, — це явище, при якому гібриди, утворені між особинами одного або близькоспорідненого виду, є міцнішими або енергійнішими, ніж їхні батьки. Гетерозис часто проявляється в таких ознаках, як розмір, швидкість росту, плодючість і врожайність. Основні механізми гетерозису залишаються в основному невідомими, але вважається, що він спричинений рядом факторів, таких як генетичне домінування, комплементарна дія генів і надмірне домінування. Гетерозис широко використовується в селекції сільськогосподарських культур і тварин для підвищення потенціалу врожайності та підвищення адаптації до стресу.

4. Наведіть приклади використання гетерозису в селекції.

Приклади використання гетерозису в селекції включають використання гібридної пшениці для отримання високої врожайності, гібридної кукурудзи для отримання більшого розміру зерна та підвищення стійкості до шкідників, гібридних курей для виробництва більших яєць і збільшення несучості, гібридної риби для збільшення швидкості росту, і гібридних корів для отримання підвищених надоїв. Крім того, гібридні рослини можна використовувати для створення нових сортів рослин із бажаними властивостями, такими як покращена стійкість до хвороб, підвищена врожайність, покращений смак або підвищена поживна цінність.

5. Що таке генетична інженерія?

Генна інженерія, яку іноді називають генетичною модифікацією, є процесом зміни ДНК у геномі організму. Це може означати вставку або видалення генів або введення генів інших організмів. Генну інженерію можна використовувати для модифікації генетичного складу організму, що призводить до зміни його характеристик, таких як розмір, швидкість росту, плодючість і врожайність. Ця технологія використовується в різних сферах застосування, включаючи медицину, сільське господарство та біотехнології.

6. Назвіть основні методи генної та клітинної інженерії.

Назвіть основні методи генної та клітинної інженерії. Основні методи генетичної та клітинної інженерії включають генну інженерію, редагування генів, CRISPR-Cas9, штучний відбір, селективне розведення, трансфекцію, доставку вірусного вектора та маніпуляції зі стовбуровими клітинами. Генна інженерія передбачає введення чужорідної ДНК в організм, тоді як редагування генів передбачає зміну існуючого генетичного коду. CRISPR-Cas9 — це техніка редагування генів, яка використовує направляючу РНК для направлення Cas9 у певне місце в геномі. Штучний відбір — це процес навмисного відбору організмів з бажаними ознаками, тоді як селективне розведення — це процес вибору найбільш бажаних ознак із популяції та розведення організмів, які мають ці ознаки. Трансфекція — це процес введення чужорідної ДНК або РНК у клітину, тоді як доставка вірусного вектора — це використання вірусів для доставки генетичного матеріалу в клітину. Нарешті, маніпуляції зі стовбуровими клітинами – це процес маніпулювання стовбуровими клітинами для диференціації в певний тип клітин.

7. Які сучасні методи селекції тварин, рослин й мікроорганізмів?

Сучасні методи селекції тварин, рослин і мікроорганізмів включають генну інженерію, редагування генів, штучний відбір і селекційне розведення. Генна інженерія передбачає введення чужорідної ДНК в організм, тоді як редагування генів передбачає зміну існуючого генетичного коду. Штучний відбір — це процес навмисного відбору організмів з бажаними ознаками, тоді як селективне розведення — це процес вибору найбільш бажаних ознак із популяції та розведення організмів, які мають ці ознаки. Ці методи використовуються для модифікації або створення нових сортів рослин, тварин і мікроорганізмів.

8. Які генетичні основи гетерозису?

Трьома основними генетичними основами гетерозису є домінування, наддомінування та епістаз. Домінування виникає, коли гібрид експресує алель або ген, який не експресується ні в одного з батьків. Наддомінування виникає, коли гібрид експресує ген або алель, який не експресується в жодного з батьків, але також демонструє вищий рівень експресії, ніж будь-який з батьків. Епістаз виникає, коли експресія одного гена або алеля залежить від експресії іншого гена або алеля.

9. Які переваги застосування методів генетичної інженерії у сучасній селекції?

Переваги використання методів генної інженерії в сучасній селекції включають можливість точно модифікувати гени, створювати нові сорти рослин і тварин із бажаними ознаками, покращувати поживну цінність їжі та розробляти нові ліки та методи лікування хвороб. Крім того, методи генної інженерії можна використовувати для створення трансгенних рослин і тварин, стійких до шкідників і хвороб, що може призвести до підвищення врожайності та покращення продовольчої безпеки. Нарешті, генна інженерія може бути використана для отримання організмів з бажаними ознаками, які неможливо створити традиційними методами розведення.

10. Обґрунтуйте необхідність поєднання класичних і новітніх методів селекції.

Для поліпшення врожаю необхідне поєднання класичних і сучасних методів селекції. Класичні методи передбачають відбір рослин із бажаними ознаками, що може зайняти багато часу. Сучасні методи засновані на генетичних маніпуляціях і дозволяють привнести бажані ознаки в значно коротший період часу. Поєднання цих двох методів дозволяє селекціонерам швидше досягти бажаних результатів у покращенні врожаю. Крім того, сучасні методи дозволяють селекціонерам вводити складні ознаки, яких важко досягти лише класичними методами. Використовуючи поєднання обох методів, селекціонери можуть більш ефективно та результативно покращувати врожай.