Тема № 7. Основные разделы клеточной инженерии

Клеточная инженерия – создание клеток нового типа на основе их (1) гибридизации, (2) реконструкции и (3) клонирования (культивирования). Реконструкция жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, объединение целых клеток, принадлежащих разным видам (и даже относящихся к разным царствам – растениям и животным) с образованием клетки, несущей генетический материал обеих клеток.

Клеточная инженерия как раздел биотехнологии: решение теоретических проблем и один из основных методов создания новых форм растений и животных.

Улучшение растений и животных на основе клеточных технологий.

Выращивание на искусственных питательных средах клеток и тканей – основа современных биотехнологий.

Задачи:

1) создание идентичных исходных форм организмов;

2) создание организмов, генетически отличающихся от исходных форм.

Первое направление: использование искусственного оплодотворения, культуры незрелых гибридных семяпочек и зародышей, регенерации растений из тканей летальных гибридов, гаплоидных растений, полученных при культивировании пыльников или микроспор. Второе направление: создание новых форм организмов на основе мутантов.

Разнообразие технологий:

1) облегчение и ускорение традиционного процесса селекции;

2) создание генетического разнообразия;

3) поиск и отбор генотипов с целевыми признаками.

Животноводство. Методы длительного хранения и искусственного осеменения. Получение необходимого числа зародышей на ранних стадиях развития. Технология трансплантации эмбрионов. Методы микроманипуляций с эмбрионами. Получение однояйцевых близнецов, получение химерных животных. Пересадка ядер эмбриона в экупмированные яйцеклетки и клонирование животных. Конструирование клеток нового типа с помощью мутационного процесса гибритизации.

Растениеводство. Мутагенез и селекция. Гибридизация. Растения –регенеранты. Целевые признаки. Эксперименты в пробирке, пересадка в почву, размножение. Устойчивость растений к патогенам и гербицидам, защита от насекомых – вредителей, холодоустойчивость, улучшенный аминокислотный состав, изменение состава фитогормонов.

Реконструкция клеток. Клеточная инженерия: реконструкция жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток или объединение целых клеток. Способы модификации клетки:

1) введение в нее индивидуальных генов;

2) введение клеточных органелл, хлоропластов из одних клеток в протопласты других клеток. Искусственные ассоциации растительных клеток с микроорганизмами – моделирование на клеточном уровне природных симбиотических отношений. Обеспечение растений азотным питанием в природных экосистемах. Введение азотофиксирующих микроорганизмов и формирование у растений способности к фиксации молекулярного азота.

Реконструкции клетки:

3) слияние клеточных ферментов друг с другом или с интактными клетками. Цибриды.

Методы. Микрохирургия. Микроманипулятор. Операции на клетках и ее органоидах. Извлечение и трансплантация ядер, ядрышек. Метод электростимулируемого слияния (1) слияние клеточных мембран (2) при реконструкции животных и растительных клеток. Реконструкция клеток как прием решения многих задач биологии. Реконструкция эмбриональных клеток. Проблемы биологии развития. Механизмы реализации генетической информации. Исследование реальной тотипотентности генома клеток разного уровня дифференцировки. Способность геномов к репрограммированию. Создание реконструированных зигот и ранних эмбрионов.

Реконструкция клеток и реализация генетической информации криоконсервированных геномов и исчезающих видов животных.

Реконструкция клетки и проблемы (1) производства биологически активных веществ с использованием микроорганизмов; (2) растениеводства; (3) животноводства.

Создание клеточных культур. Способы культивирования клеток (1) поверхностный, (2) в жидкой питательной среде. Культура клеток тканей.

Культура растений. Каллус. Степень дифференциации ткани. Меристема, паренхима, флоэма, гаплоидные ткани пыльников. Степень специализации ткани (ксилема). Использование обоих способов культивирования. Состав питательной среды, температурный режим, кислотность, газовый состав.

Культуры клеток животных. Опухолевые клетки миеломы или саркомы. Индуцирование образования опухолей. Использование в основном поверхностного способа культивирования. Однослойные пласты различных тканей. Гибридомы. Соматическая гибридизация.

Типы клеточных культур. Первичные, эмбриональные и перевиваемые клеточные культуры. Пассаж.

Гибридизация. Половая и соматическая гибридизация. Комбинаторная изменчивость. Объединение генетического материала разных клеток в одной клетке. Внутревидовая гибридизация. Первое поколение гибридов и гетерозис (приспособляемость, плодовитость, жизнеспособность). Гетезиготность по многим парам параллельных генов. Отдаленная гибридизация (разные систематические группы).

Частота неплодовитости. Формирование ядра. Синкарионы. Методы увеличения частоты гибридизации in vitro. Селективные среды и выделение гибридов соматических клеток. Протопласты. Гибридомы.

Гибридизация и биоинженерия. Гибридизация клеток как основа клеточной инженерии. Генная инженерия и гибридные (рекомбинантные) ДНК. Молекулярная гибридизация. Комплементарные нуклеотиды. Идентификация микроорганизмов. Изучение процессов онтогенеза, опухолеобразования. Гибридологический анализ. Картирование генов. Исследование механизмов реактивации генома и степени фенотипического проявления (экспрессивности) отдельных генов.

Соматическая гибридизация. Гибридные клеточные линии. Повышение выхода целевого продукта: микроорганизмы, растения.

Клонирование. Генотип и фенотип. Идентичность потомков. Бесполое размножение. Задачи:

1) получение целевых признаков;

2) создание органов и их трансплантация.

Использование комплекса методов генной инженерии и клонирования. Способы клонирования. Специализация клеток и индуцирование образования новых клеток. Эпуклимация клетки и слияние двух сперматозоидов. Имплантация молекул ДНК. Разработка эффективных методов введения «чужого» тела. Перспективы клонирования органов, тканей. Перспективы клонирования животных. Проблемы клонирования человека.