БІОЛОГІЧНА ІНЖЕНЕРІЯ – НОВИЙ ЕТАП РОЗВИТКУ БІОЛОГІЇ

 

Г.Д. Бердишев, академік АН ВШ України,

Н.М. Топчій, кандидат біологічних наук,

К.В. Брєжнєва, студентка

 

Кінець ХХ – початок ХХІ ст. ознаменувались черговою науково-технічною революцією (НТР). Якщо перша НТР була пов’язана з розщепленням атома, то друга така революція зв’язана з пізнанням гена. На це вперше вказав видатний вчений нашого часу , член американської Академії наук, академік Микола Петрович Дубінін. На базі пізнання гена народився цілий спектр нових теоретичних і практичних наук – генна інженерія, геноміка, геном на медицина, біотехнологія і т.д. Почався новий етап розвитку біології, зв’язаний з втручанням у фундаментальні властивості живого – спадковість і мінливість. У ці роки на кафедрі загальної та молекулярної генетики Київського національного університету імені Тараса Шевченка була закладена основа нової науки –біологічної інженерії, яка поєднала різноманітні наукові напрямки, зв’язані з керуванням спадковості і мінливості. Розділи біологічної інженерії – генна, геном на, білково-пептидна, клітинна, ембріональна, хромосомна (поліплоїдія), тканинна, органна, організмена, популяційна, біосферна. Виникло клонування організмів. Розділи біологічної інженерії є одержання транс генних тварин, рослин, мікроорганізмів. Саногеніка – наука про збереження генофонду різних видів, археоклонування – клонування вимерлих тварин.

Біологічна інженерія дозволяє людям створювати нові види організмів за заздалегідь створеним замислом. Цей науковий напрямок ми називаємо ноогенезом (від грец. noos – розум, genesis – походження; рід). Ноогенез знижує актуальність спору між еволюціонізмом і креаціонізмом, готує необхідність створення організмів з корисними властивостями для людини.

Біоінженерія - нова галузь біологічної науки про конструювання живих систем, заснована головним чином на можливості штучного комбінування фрагментів генетичного матеріалу (ДНК) еволюційно віддалених організмів (від бактерій до людини). Біологічна інженерія - широка галузь біології, у складі якої можна виділити наступні розділи. 1) молекулярна біологія; 2) генна й білкова інженерія; 3) геномна інженерія; 4) клітинна та ембріональна інженерія; 5) імунна інженерія, 6) конструювання тканин, органів, цілих організмів; 7) конструювання популяцій; 8) клонування організмів; 9) технологія стовбурних клітин; 10) одержання трансгенних організмів, 11) генотерапія і т.д.

У 1987- 1988 рр. у своїх роботах [3, 4] проф. Г.Д. Бердишев сформулював концепцію біологічної інженерії, яка розроблялася на кафедрі генетики Київського національного університету імені Тараса Шевченка під його керівництвом. У ній була подана класифікація методів біологічного конструювання живих систем і розглянута можливість їх використання для боротьби зі старінням. Біологічна інженерія дозволяє зрозуміти, як у природі народжувались, розвивались і вимирали види, відтворювати вимерлі види тварин і рослин, створювати нові за попередньо обміркованим задумом, обравши необхідну біоінженерну технологію. З біологічної інженерії з’явилась можливість ноогенезу – створення нових організмів людиною.

Складова частина біоінженерії - генна інженерія дає методи експериментального втручання, що дозволяє за заздалегідь наміченому планом перебудувати геном організмів, змінюючи в ньому його генетичну інформацію.

На підставі великої кількості експериментальних робіт в області біологічної інженерії отримані важливі нові дані про структуру геномів [2], будову і реплікацію генів, хромосом, перенесення генетичної інформації, механізми перебудови хромосом [5]. Ці результати досліджень дозволили висловити обґрунтовані прогнози того, що може дати в майбутньому для людства розвиток біологічної інженерії. Ці роботи дозволять набагато разів збільшити ефективність мікробіологічного виробництва кормових білків, вітамінів, антибіотиків та інших біологічно активних речовин.

Одне з досягнень біологічної інженерії - керування експресією чужорідних генів у клітинах ссавців. Це явище було досліджено на моделі гена гормону росту пацюків (Р. Пальмістер та ін., Пенсільванский університет, США). Використання певного індуктора (зміни рН, концентрації солей важких металів, що впливають на промотор гена) дозволяє керувати функціональною активністю чужорідного гена в організмі тварини, який перебуває під його контролем. Якщо ген гормону росту у складі комбінованої ДНК буде функціонувати, то, активуючи його за допомогою індуктора, можна керувати ростом тварин [1].

Перший успіх до вчених прийшов у 1977 році, коли Г. Бойєру вдалося синтезувати найпростіші гени гормонів людини й тварин - енкафелина і брадикініна. У 1978 вчені з медичної школи в Каліфорнії створили бактерії, які здатні за допомогою введених в них людських генів синтезувати також інсулін і соматотропін - потужні гормони, які лікують діабет і деякі інші захворювання [5].

Разом із цим не можна забувати, що біологічна інженерія може призвести й до результатів, небезпечних для людини. У той же час існує серйозна небезпека безконтрольного переносу генної інформації до інших видів, що катастрофічно відіб'ється на еволюційних процесах у природі. Оскільки наслідки такого втручання непередбачені, існує великий ризик змінити екологічне середовище людини й біосфери в цілому, її різке погіршення. Розглянемо більш докладно види, методи й успіхи біологічної інженерії.

Основною метою біоінженерії рослин є посилення ознак, необхідних для людини: збільшити врожайність, адаптивні властивості рослин та ін.

Класичним прикладом синтезу нової форми рослин є міжродове схрещування редьки (Raphanus sativus) з капустою (Brassica oeraceae), отримане Г.Д. Карпеченко на початку 20-х років.

Останнім часом вчені роблять невтішні прогнози відносно швидкозростаючого споживання сільськогосподарських продуктів на фоні зниження площі орних земель. Вирішення даної проблеми можливо за допомогою технологій одержання трансгенних рослин, спрямованих на ефективний захист сільськогосподарських культур і збільшення врожайності. Одержання трансгенних рослин є на даний момент однієї з перспективних і найбільш розвинених напрямків агровиробництва. Створення трансгенних рослин, які володіють необхідними властивостями, вимагає набагато меншого часу і дозволяє одержувати рослини із заданими господарсько цінними ознаками, а також генетично модифіковані рослини можуть володіти властивостями, що не мають аналогів у природі. Прикладом останнього можуть слугувати отримані методами генної інженерії сорти рослин, які мають підвищену стійкість до посухи.

Найбільше часто використовуваною трансгенною культурою є картопля, за якою іде соя, кукурудза, жито і тютюн. Трансгенні злакові культури вивчалися в польових умовах рідше, що пояснюється труднощами трансформації злаків.

Найбільше простою і очевидною стратегією поліпшення якості білка пшениці та інших злаків є збільшення числа генів, які кодують високомолекулярні субодиниці ферментів. Це призведе до підвищення пропорції гібридних субодиниць білка, і, у свою чергу, до зростання гетерозису. Такий напрямок у цей час розробляється в ряді лабораторій світу.

Одержання нових видів тварин методами біологічної інженерії здійснюється менш інтенсивно, ніж рослин. Як приклад успішного створення видів тварин можна привести одержання гібридів одногорбого і двогорбого верблюда, які названі нарами. Методами ембріональної інженерії отримані самі дивовижні гібриди (наприклад, між слоном і комаром), але вони гинуть на ранніх стадіях розвитку.

Розвиток багатьох напрямків медицини найближчого сторіччя буде базуватися на використанні ембріональних стовбурних клітин. Тому вже сьогодні в наукових і політичних колах так багато уваги приділяється питанням терапевтичного клонування й дослідженням стовбурних клітин у медичних цілях. Розробка біотехнології одержання у великій кількості стовбурних клітин дасть можливість медикам лікувати багато захворювань, які дотепер вважаються невиліковними. У першу чергу - діабет (інсулінзалежний), хвороба Паркінсона, хвороба Альцгеймера (старече слабоумство), хвороби серцевого м'яза (інфаркти міокарда), хвороби нирок, печінки, захворювання костей, крові й інші. Нова медицина буде базуватися на двох основних процесах: на вирощуванні здорової тканини зі стовбурних клітин і пересадження такої тканини на місце ушкодженої або хворої.

З розвитком біологічної інженерії почався новий період розвитку біологічної науки, що вимагає глибокого знання біології, фізики, хімії і філософії. Безсумнівно, у неї велике майбутнє.

 

Література

 

1. Анализ генома. Методы. М.:Мир.-1990.-246 с.

2. Бердышев Г.Д., Криворучко М.Ф. Генетика человека с основами медицинской генетики. Киев: Вища школа, 1979. -270 с.

3. Бердышев Г.Д. Биологическая инженерия в изучении механизмов и разработке теории старения. В кн.: Молекулярные и функциональные механизмы онтогенеза. Всесоюзный симпозиум. Тезисы докладов. 27-29 октября 1987, Харьков, 1987, с.28-30.

4. Бердышев Г.Д. Биологическая инженерия и старение. Киев.: Вища школа, 1988, 72 с.

5. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М.:Мир.-2002.-592 с.