Cos'è l'ingegneria cellulare? Ingegneria genetica e cellulare

Per molto tempo, l'uomo ha sognato che gli animali da lui allevati fossero più grandi, più duri e più produttivi. Affinché le coltivazioni da lui coltivate maturino nel più breve tempo possibile, non siano influenzate da parassiti e malattie, crescano anche in condizioni di temperature ambientali ridotte e assenza di piogge regolari.

In una certa misura, tutti questi piani potrebbero essere implementati attraverso la selezione, ma questo processo è molto lungo e nessuno può garantire che avrà un successo completo. Inoltre, questo metodo non aiuta a combinare in un organismo le caratteristiche di diversi tipi contemporaneamente. Certamente, se possono incrociarsi naturalmente, allora è possibile, ma in altri casi si può solo sognare le qualità ereditarie richieste.

Tecnologia di base

Il metodo principale per ottenere tali risultati è l'ingegneria cellulare. Il più dettagliato di tutte le sue tecniche ha funzionato su alcuni microrganismi. In generale, le ulteriori possibilità e prospettive di questa direzione sono semplicemente immense. Al momento, è in corso uno sviluppo approfondito per isolare i singoli geni che possono essere inseriti nel corpo. In poche parole, sarà possibile creare animali domestici e piante che abbiano un set di attributi strettamente definito e abbiano l'aspetto desiderato.

Non dimenticare che l'ingegneria cellulare dei microrganismi ha permesso di ottenere batteri "multifunzionali" che, ad esempio, possono decomporre il polietilene biologicamente. Inoltre, i batteri modificati sono un materiale ideale per la produzione di vaccini. Potrebbero essere completamente sicuri (che consente l'uso di farmaci "vivi") a causa della virulenza completamente assente, ma hanno l'intera gamma di antigeni dei loro antenati "selvaggi".

Infine, è stata l'ingegneria cellulare delle piante che ha permesso il famoso angurie quadrate e limoni snocciolati. È a lei che dobbiamo l'aspetto delle patate, che le larve e gli adulti del coleottero della patata del Colorado non mangiano. È stato grazie alla ricerca genetica che è apparso il grano, che dà facilmente un raccolto eccellente su terreni salini (!)!

Metodi di ingegneria cellulare

tutto cellule vegetali la proprietà della totipotenza è intrinseca (questo è quando una singola cellula può svilupparsi in un intero organismo). Nell'agricoltura, ciò offre prospettive illimitate negli esperimenti per sviluppare nuovi tipi di colture utili all'uomo. L'ingegneria cellulare in allevamento è molto promettente. Al momento, gli scienziati hanno una vasta esperienza nell'accumulo e nella conservazione cellule somatiche diverse razze di animali in vitro. Soprattutto riguarda lo stoccaggio di materiale nelle condizioni di basse temperature.

A proposito, quali sono i metodi di ingegneria delle cellule animali? Discutiamoli.

Separazione embrionale precoce

Oggi, il metodo di separazione dei primi embrioni è particolarmente promettente. Il primo impulso a questa direzione è stato dato dal trapianto, che ha iniziato a svilupparsi, i cui metodi hanno permesso di preservare un gran numero di embrioni ottenuti. In generale, il primo esperimento riuscito nella separazione del materiale embrionale ai livelli 2-8 è stato condotto da Willard (in inglese, a Cambridge). Lo svantaggio di questo metodo è la sua complessità, motivo per cui questa operazione può essere eseguita solo in un istituto medico ben attrezzato.

In poche parole, è una biotecnologia estremamente complessa. L'ingegneria cellulare nel nostro tempo utilizza metodi molto più semplici.

Separazione tardiva dei germi

Così, gli scienziati hanno iniziato a manipolare il materiale germinale solo nelle fasi successive (morula, blastocisti). L'essenza del metodo è che la zona trasparente (pellucida) viene prima aperta, dopo di che l'embrione viene accuratamente diviso in due. Una metà rimane nello stesso posto, mentre la seconda parte viene trasferita in una zona precedentemente preparata.

Anche pochi anni fa, il tasso di sopravvivenza degli embrioni con questa tecnica ha raggiunto il 50-60%, mentre oggi questa cifra si avvicina all'80%. L'effetto principale applicato è un aumento significativo del numero di vitelli ricevuti da un produttore. Non sorprende che l'ingegneria animale cellulare sia un'industria che non manca di finanziamenti.

Il primo di questi esperimenti furono scienziati americani. Sono stati loro a concludere che se l'embrione è privo di una membrana trasparente, allora sopravvive in non più del 15% dei casi, ma se lo strato pellucido viene conservato, il tasso di sopravvivenza aumenta immediatamente al 35% dei casi. I migliori risultati si ottengono se ogni metà di un embrione diviso ha un guscio trasparente e ogni parte viene introdotta in un corno uterino separato: fino al 75% degli embrioni sopravvive in condizioni moderne.

Ma per quali scopi l'ingegneria cellulare viene utilizzata nella pratica? Che risultati ottieni?

Il valore dell'ingegneria cellulare nell'allevamento

Ad oggi, questa tecnica sta cominciando ad essere sempre più utilizzata negli affari tribali internazionali. Relativamente recentemente, il metodo per ottenere e introdurre embrioni nei suini è stato testato con successo. I ricercatori ritengono che l'ingegneria cellulare possa consentire un aumento del numero di discendenti di un animale di almeno il 30-35%. Ma non dimenticare la possibilità di ottenere copie genetiche.

Questi animali valgono quasi il loro peso in oro per quegli scienziati che studiano l'interazione tra ambiente e genotipo. Il fatto è che la presenza di due individui assolutamente identici consente di minimizzare l'influenza dei fattori interni nello studio dell'influenza dell'ambiente esterno sull'organismo. Inoltre, è possibile produrre la macellazione di un animale da una coppia nel caso in cui siano richiesti dati sullo stato interno del corpo per lo studio.

Tutti questi sviluppi sono i metodi di base dell'ingegneria cellulare. Ma ci siamo dimenticati di parlare della direzione più importante di questo ramo della scienza legato alla regolazione artificiale del sesso degli animali da fattoria. È tempo di correggere questo difetto.

Metodi di regolazione del pavimento

Sicuramente nessuno sarebbe sorpreso di conoscere l'incredibile importanza degli sviluppi nel campo della regolazione artificiale del sesso negli animali da allevamento. Attualmente, gli scienziati non possono regolare il numero di animali dello stesso sesso, e anche con il riconoscimento del sesso di un individuo nelle prime fasi del suo sviluppo, ci sono grossi problemi. Finora, i progressi nella regolazione artificiale di questo indicatore sono stati raggiunti solo in modo molto insignificante: persino l'ingegneria cellulare e la clonazione non risolvono completamente questo problema.

Naturalmente, idealmente, varrebbe la pena di dividere semplicemente le cellule spermatiche che portano i cromosomi X e Y. È in questa direzione che dovrebbe svilupparsi la ricerca. Un altro approccio (che è molto più semplice, e quindi usato) è quello di estrarre i primi embrioni dal sistema riproduttivo femminile, determinare il loro sesso e poi trapiantarli.

Ma come si collega l'ingegneria cellulare a tutto questo? Tutto è abbastanza semplice.

Si tratta del metodo citologico, mediante il quale viene determinato il tipo di embrione XX o XY. Questo viene fatto attraverso lo studio della cromatina o dei cromosomi sessuali. Negli ultimi anni, è stato anche scoperto che il genere può essere accertato esaminando anticorpi specifici che sono completamente diversi nelle femmine e nei maschi. Ci sono anche opinioni di alcuni studiosi che stabiliscono identità di genere esaminando l'attività del glucosio-6-fosfato deidrogenasi. Tuttavia, attualmente i più efficaci metodi citologici e immunologici (studi sugli anticorpi).

Ingegneria genetica

Nel titolo di questo articolo, non è una coincidenza che sia usata la frase "ingegneria genica e cellulare". Indipendentemente dall'efficacia dei metodi di correzione del materiale cellulare, lavorare direttamente con i geni sarà sempre molto più efficiente.

Attualmente, sono i metodi genetici che stanno gradualmente guadagnando un ruolo di primo piano nell'allevamento e nella produzione agricola in tutto il mondo. Grazie a loro, il lavoro di allevamento ha raggiunto un livello fondamentalmente diverso: da ora in poi, gli scienziati non possono solo indovinare quali qualità avrà l'individuo che creano, ma lo sanno con certezza.

Va subito notato che non tutto è così buono. Ci sono alcune limitazioni. Il fatto è che solo la materia genetica dei tori, che può migliorare la loro prole (miglioratori), è consentita per la manipolazione genetica. L'unico problema è che oggi questi animali sono estremamente piccoli. Inoltre, i programmi mirati a sradicare la stessa mastite, finora non hanno dato risultati visibili. In poche parole, l'ingegneria genetica e cellulare è ben lungi dall'essere una panacea.

I metodi di ingegneria iniziarono a emergere in un unico sistema solo dagli anni '50 del secolo scorso. Quindi, una delle opere principali, che pose le basi di questo ramo della scienza, divenne esperimenti sul trapianto di nuclei cellulari secondo il metodo di Briggs e King. In primo luogo, eseguire con successo questa operazione è stata ottenuta esclusivamente sulle rane. Attualmente sono in corso esperimenti di successo sul trapianto di materiale genetico anche nei topi e nei mammiferi più grandi.

Più recentemente, gli scienziati hanno creato un metodo per trasferire il nucleo dopo la fusione dei carioplasti. Inoltre, i metodi di ingegneria genetica e cellulare consentono ora la creazione di organismi chimerici basati su vari tipi di mecopato.

Gardner presto sviluppò un metodo fondamentalmente nuovo, in cui viene eseguita l'impianto di blastomeri nelle blastocisti del ricevente. Butler questa tecnica è stata sviluppata con successo nei topi di laboratorio. Fu sulla base di questi sviluppi che furono ottenute le chimere basate sull'organismo di una pecora.

Tutti i lavori sopra descritti hanno gradualmente preparato la scienza agricola mondiale per l'introduzione generalizzata di metodi di ingegneria genetica. Il metodo più comune oggi è il trasferimento del materiale genico in cellule in coltura e la loro successiva introduzione nella blastocisti.

Ma prima di comprendere alcuni aspetti di questa tecnologia, vale la pena rispondere a una domanda importante. Più precisamente, per discutere la differenza tra ingegneria genetica e cellulare. In generale, tutto è abbastanza semplice qui: se nel primo caso gli scienziati operano direttamente con materiale genetico, allora quando si usano metodi "cellulari", interi organi e sezioni di cellule vengono portati al lavoro, che vengono impiantati nel materiale del ricevente.

Definizione estesa

Quindi qual è l'essenza dell'ingegneria genetica? A metà degli anni '70 del secolo scorso, gli scienziati hanno fatto una scoperta sensazionale. Hanno scoperto che alcuni enzimi microbici possono tagliare Molecola di DNA nel posto giusto. In poche parole, c'era un'opportunità unica di ottenere materiale genetico con proprietà strettamente specificate.

Infine, i ricercatori sono stati in grado di identificare determinati geni con la massima accuratezza e anche di clonarli se necessario. Quali principi vengono guidati dagli scienziati nel loro lavoro? In generale, ci sono solo due di loro:

• Il gene deve avere una chiara caratterizzazione, che deve essere rilevata.
• Il materiale genetico selezionato deve essere attaccato al corriere (virus, per esempio), che produrrà il suo trapianto.

In parole semplici, il gene selezionato dal corpo del donatore deve essere trasferito nel corpo del ricevente, per il quale è estraneo. La cosa principale nel lavoro dei ricercatori non è solo quello di realizzare l'attecchimento, ma anche di creare le condizioni in cui normalmente si replicherà.

Lavorare con zigote

Tuttavia, negli ultimi anni, la tecnica non è stata meno diffusa in cui i geni alieni sono iniettati nel pronucleo degli zigoti animali. Per la prima volta, questo metodo è stato testato su ovociti di rane di lago: in primo luogo, hanno introdotto un certo DNA e gli scienziati hanno immediatamente notato integrazione e trascrizione. Nel 1981, per la prima volta, fu condotto un interessante esperimento, durante il quale il gene della gamma globulina di coniglio fu introdotto nello zigote del topo.

In questo caso, il gene aveva l'aspetto di un lungo tandem genomico contenente regioni stabili. Curiosamente, sono stati correttamente trascritti solo a condizione che non contenessero alcun componente plasmidico. La manifestazione dei geni che sono stati inseriti con questo metodo è stata studiata in modo dettagliato nei topi di laboratorio.

Un anno prima degli esperimenti con lo zigote del topo, nel 1980, il pronucleo dello stesso zigote di topo fu posto sul plasmide pBR322, che conteneva frammenti dei virus SK40 e HSV. Di conseguenza, il DNA del virus è stato trovato in tre topi su 78 individui che hanno partecipato all'esperimento. Stranamente, ma con l'iniezione del gene della gammaglobulina umana, la sua integrazione è stata già osservata in cinque topi su 33 individui (più del 15%). Questa esperienza ha anche dimostrato che la creazione di organismi chimerici in grado di combinare le caratteristiche di diversi tipi contemporaneamente è abbastanza realistica.

Brinster ei suoi seguaci con studenti trapiantarono nei pronuclei degli zigoti di topi di un costrutto appositamente preparato, che includeva la metallotioneina del topo, così come il gene della timidina chinasi. In questo caso, la piena integrazione è stata osservata già nel 17% degli animali da laboratorio.

Risultati principali

Allo stato attuale, l'ingegneria genetica è finalmente diventata un ramo della scienza promettente e discusso. Quasi tutti lo sanno. Ma quali sono i compiti dell'ingegneria cellulare e del lavoro con il materiale genetico? Oh, sono molto diversi.

In primo luogo, gli scienziati di tutto il mondo devono affrontare il compito di pacificare, ridurre la fame su tutto il pianeta. Metodi di ingegneria genetica e cellulare rendono abbastanza possibile creare tali varietà di piante e specie animali, la cui produttività sarà dieci volte superiore a quella dei loro antenati selvaggi.

In secondo luogo, questo ramo scientifico, forse, sarà in grado di superare i problemi dell'invecchiamento precoce e di altre malattie genetiche, per le quali oggi non esiste un singolo farmaco. Infine, è l'ingegneria genetica che ci permetterà sicuramente di prolungare la vita in larga misura!

Gli esperti dicono che i metodi di ingegneria genetica nel prossimo futuro non solo diagnosticano malattie genetiche (ad esempio, la sindrome di Down, per esempio) in gravidanze estremamente precoci, ma trattano anche efficacemente!