Передумови виникнення технології рекомбінантних ДНК

Технологія рекомбінантних ДНК

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання практичних робіт з курсу

для спеціальності 8.092902 „Біотехнологія біологічно активних речовин”,

базового напряму 0929 „Біотехнологія”

Частина 1

Затверджено

на засіданні кафедри

технології біологічно активних сполук,

фармації та біотехнології

Протокол № 8 від 19.02.2009

Львів - 2009

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу „Технологія рекомбінантних ДНК” спеціальності 8.092902 „Біотехнологія біологічно активних речовин”, базового напряму 0929 „Біотехнологія”/ Упорядники: Заярнюк Н.Л., Червецова В.Г., Федорова О. В., Новіков В.П. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2009 – с 68

Укладачі Заярнюк Н.Л., асист.

Червецова В. Г., канд.біол.наук, доц.

Федорова О.В., канд. хім. наук, асист.

Новіков В.П. д-р хім.наук., проф.

Відповідальний за випуск Новіков В.П. д-р хім.наук., проф., зав.кафедри ТБСФБ

Рецензенти Петріна Р.О., канд.техн.наук., доц.

Дончак В.А., канд.хім.наук., доц.

Вступ

Останні десятиріччя були свідками видатного прогресу в генетиці – прогресу, що став результатом досліджень спадкового матеріалу на молекулярному рівні, його структури і рівня. Класичний період науки генетики призвів до відкриття впорядкованості і закономірності в передачі спадкових ознак. Необхідність пізнання клітинних процесів, що лежать в основі цієї впорядкованості, стимулювала пошуки хімічної основи спадковості і призвела до визначення зв’язків між генетичною організацією на молекулярному рівні та явищами, що мають місце на рівні клітини, організму і популяції. Результатом досягнень таких наук, як класична генетика, біохімія і молекулярна біологія стала нова галузь досліджень – молекулярна біотехнологія, яка в свою чергу включає традиційну мікробіологію та технологію рекомбінантних ДНК.

За останні роки в області молекулярної біотехнології була зроблена величезна кількість відкриттів. Як наслідок на ринку з’явилось багато нових генно-інженерних продуктів (вакцин, лікарських засобів тощо). Щоденною практикою клінічних лабораторій стало використання імунологічних методів діагностики і методів, що базуються на застосуванні полімеразної ланцюгової реакції. Відкриті й охарактеризовані гени, які пов’язані з різними захворюваннями людини, значно збільшилась кількість клінічних випробувань в області генної терапії. Побудовано детальні генетичні і фізичні карти хромосом людини, вперше з диференційованої соматичної клітини клоновано життєздатну тварину. Виробництво однієї трансгенної рослини – сої – поставлено на комерційну основу.

Таким чином, від сучасного інженера – біотехнолога вимагається не тільки засвоїти великий об’єм фундаментальних знань, але й оволодіти новітніми методами досліджень. Розв’язування задач і використання схематичних прикладів не тільки полегшує студентам сприймання і засвоєння матеріалу, але й організовує пізнавальну діяльність студентів на творчому рівні, оскільки аналіз задачі, пошуки шляхів її розв’язання і саме розв’язання – безумовно творчі процеси. Задачі і схеми можна застосовувати під час пояснення нового матеріалу, закріплення знань та їх перевірки.

Передумови виникнення технології рекомбінантних ДНК

В 1973 р. Стенлі Коен та Гілберт Бойер з співробітниками розробили спосіб переносу генетичної інформації від одного організму в інший. Цей метод одержав назву технології рекомбінантних ДНК і дозволив вченим виділяти конкретні гени і вводити їх в організм нового господаря. Три відкриття зробили можливим розвиток технології рекомбінантних ДНК.

В 1953 р. Джеймс Уотсон та Френсіс Крик відкрили знаменитий подвійний ланцюг ДНК і висунули основні постулати матричного синтезу.

Згідно з цим механізмом подвійний ланцюг ДНК під час реплікації розділяеться і кожний ланцюг служить матрицею для синтезу дочірнього ланцюга, котра за своєю первинною структурою є дзеркальним відображенням матриці. В результаті такого матричного синтезу утворюються дві ідентичні дволанцюгові молекули ДНК, кожна з яких передається в дочірні клітини. За таким самим механізмом здійснюється синтез РНК, але РНК синтезується у вигляді одноланцюгової спіралі, яка комплементарна матриці ДНК. Цей процес одержав назву транскрипції. А процес синтезу білку з матриці РНК (мРНК) відбувається на рибосомах, і структура білку відповідає структурі мРНК. Цей складний процес, що має назву трансляції, відбувається за допомогою транспортої РНК (тРНК). Вона транспортує амінокислоти і адаптує мову мРНК до мови білку. Таким чином, процес матричного синтезу ДНК визначає передачу спадкової інформації від материнської клітини в дочірню. В процесі матричного синтезу РНК відбувається передача інформації (генетичного коду даного білку) від ДНК на мРНК, а мРНК переносить інформацію на рибосому, де вона реалізується у вигляді конкретної структури білку.

При статевому процесі відбувається обмін ділянками між двома хромосомами від індивідуумів, що схрещуються. Цей процес отримав назву рекомбінації, і в клітині найчастіше відбувається тільки між гомологічними хромосомами, оскільки комплементарні за своєю структурою молекули ДНК притягуються і можуть обмінюватися генетичними складовими. Бувають і випадки негомологічної рекомбінації, якщо в одній з взаємодіючих молекул ДНК є гени, котрі кодують спеціальні ферменти розрізання ДНК.

Другим важливим відкриттям, зумовившим виникнення генної інженерії, стало знаходження в бактеріальних клітинах позахромосомних маленьких кільцевих молекул ДНК. Ці мініхромосоми одержали назву плазмід. Плазміди здатні до автономної реплікації, тому існують в клітині в декількох копіях. Дуже важливо, що завдяки своїм маленьким розмірам плазміди можуть бути виділені з клітини в неушкодженому, наітивному стані.

І нарешті, в 1970р. Келлі та Сміт із співробітниками зробили відкриття, що стало останньою необхідною передумовою для існування технології рекомбінантних ДНК. Вони виділили першу рестриктазу – фермент, який викликає гідроліз ДНК в строго визначених місцях з утворенням ”липких кінців” (див. гл. рестриктази)