Реферат: Клеточная инженерия

Реферат

Введение

Цитология — наука о клетке. Наука о клетке называетсяцитологией (греч. «цитос" — клетка, «логос" — наука). Предметцитологии — клетки многоклеточных животных и растений, а также одноклеточныхорганизмов, к числу которых относятся бактерии, простейшие и одноклеточныеводоросли. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функциивнутриклеточных структур, функции клеток в организме животных и растений,размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям окружающейсреды. Современная цитология — наука комплексная. Она имеет самые тесные связис другими биологическими науками, например с ботаникой, зоологией, физиологией,учением об эволюции органического мира, а также с молекулярной биологией,химией, физикой, математикой. Цитология — одна из относительно молодыхбиологических наук, ее возраст около 100 лет. Возраст же термина “клетка”насчитывает свыше 300 лет. Впервые название «клетка» в середине XVII в.применил Р. Гук. Рассматривая тонкий срез пробки с помощью микроскопа, Гукувидел, что пробка состоит из ячеек — клеток. 

Клеточная теория. В середине XIX столетия на основеуже многочисленных знаний о клетке Т. Шванн сформулировал клеточную теорию(1838). Он обобщил имевшиеся знания о клетке и показал, что клетка представляетосновную единицу строения всех живых организмов, что клетки животных и растенийсходны по своему строению. Эти положения явились важнейшими доказательствамиединства происхождения всех живых организмов, единство всего органическогомира. Т. Шван внес в науку правильное понимание клетки как самостоятельнойединицы жизни, наименьшей единицы живого: вне клетки нет жизни. 

Изучение химической организации клетки привело квыводу, что именно химические процессы лежат в основе ее жизни, что клетки всехорганизмов сходны по химическому составу, у них однотипно протекают основныепроцессы обмена веществ. Данные о сходстве химического состава клеток еще разподтвердили единство всего органического мира. 

Современная клеточная — теория включает следующиеположения:   

 клетка — основная единица строения и развития всехживых организмов, наименьшая единица живого; 

 клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмовсходны ( гомологичны ) по своему строению, химическому составу, основнымпроявлениям жизнедеятельности и обмену веществ; 

 размножение клеток происходит путем их деления, икаждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской)клетки; 

 в сложных многоклеточных организмах клеткиспециализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состояторганы, которые тесно связаны между собой и подчинены нервным и гуморальнымсистемам регуляции.   

Исследования клетки имеют большое значение дляразгадки заболеваний. Именно в клетках начинают развиваться патологическиеизменения, приводящие к возникновению заболеваний. Чтобы понять роль клеток вразвитии заболеваний, приведем несколько примеров. Одно из серьезныхзаболеваний человека — сахарный диабет. Причина этого заболевания — недостаточная деятельность группы клеток поджелудочной железы, вырабатывающихгормон инсулин, который участвует в регуляции сахарного обмена организма.Злокачественные изменения, приводящие к развитию раковых опухолей, возникаюттакже на уровне клеток. Возбудители кокцидиоза — опасного заболевания кроликов,кур, гусей и уток — паразитические простейшие — кокцидии проникают в клеткикишечного эпителия и печени, растут и размножаются в них, полностью нарушаютобмен веществ, а затем разрушают эти клетки. У больных кокцидиозом животныхсильно нарушается деятельность пищеварительной системы, и при отсутствии леченияживотные погибают. Вот почему изучение строения, химического состава, обменавеществ и всех проявлений жизнедеятельности клеток необходимо не только вбиологии, но также в медицине и ветеринарии.   

Изучение клеток разнообразных одноклеточных имногоклеточных организмов с помощью светооптического и электронного микроскоповпоказало, что по своему строению они разделяются на две группы. Одну группусоставляют бактерии и сине-зеленые водоросли. Эти организмы имеют наиболеепростое строение клеток. Их называют доеденными (прокариотами), так как у нихнет оформленного ядра (греч. «картон»-ядро) и нет многих структур, которыеназывают органоидами. Другую группу составляют все остальные организмы: отодноклеточных зеленых водорослей и простейших до высших цветковых растений,млекопитающих, в том числе и человека. Они имеют сложно устроенные клетки,которые называют ядерными (эукариотическими). Эти клетки имеют ядро иорганоиды, выполняющие специфические функции.   

Особую, неклеточную форму жизни составляют вирусы,изучением которых занимается вирусология.

Строение и функции оболочки клетки    

Клетка любого организма, представляет собой целостнуюживую систему. Она состоит из трех неразрывно связанных между собой частей:оболочки, цитоплазмы и ядра. Оболочка клетка осуществляет непосредственноевзаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками (вмногоклеточных организмах). 

Оболочка клеток. Оболочка клеток имеет сложноестроение. Она состоит из наружного слоя и расположенной под ним плазматическоймембраны. Клетки животных и растений различаются по строению их наружного слоя.У растений, а также у бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов на поверхностиклеток расположена плотная оболочка, или клеточная стенка. У большинстварастений она состоит из клетчатки. Клеточная стенка играет исключительно важнуюроль: она представляет собой внешний каркас, защитную оболочку, обеспечиваеттургор растительных клеток: через клеточную стенку проходит вода, соли,молекулы многих органических веществ.   

 Наружный слой поверхности клеток животных в отличиеот клеточных стенок растений очень тонкий, эластичный. Он не виден в световоймикроскоп и состоит из разнообразных полисахаридов и белков. Поверхностный слойживотных клеток получил название гликокаликс.   

Гликокаликс выполняет прежде всего функциюнепосредственной связи клеток животных с внешней средой, со всеми окружающимиее веществами. Имея незначительную толщину (меньше 1 мкм), наружный слой клеткиживотных не выполняет опорной роли, какая свойственна клеточным стенкамрастений. Образование гликокаликса, так же как и клеточных стенок растений,происходит благодаря жизнедеятельности самих клеток. 

Плазматическая мембрана. Под гликокаликсом и клеточнойстенкой растений расположена плазматическая мембрана (лат. “мембрана»-кожица,пленка), граничащая непосредственно с цитоплазмой. Толщина плазматическоймембраны около 10 нм, изучение ее строения и функций возможно только с помощьюэлектронного микроскопа. 

 В состав плазматической мембраны входят белки и липиды.Они упорядочено расположены и соединены друг с другом химическимивзаимодействиями. По современным представлениям молекулы липидов вплазматической мембране расположены в два ряда и образуют сплошной слой.Молекулы белков не образуют сплошного слоя, они располагаются в слое липидов,погружаясь в него на разную глубину. 

 Молекулы белка и липидов подвижны, что обеспечиваетдинамичность плазматической мембраны. 

 Плазматическая мембрана выполняет много важныхфункций, от которых завидят жизнедеятельность клеток. Одна из таких функцийзаключается в том, что она образует барьер, отграничивающий внутреннеесодержимое клетки от внешней среды. Но между клетками и внешней средойпостоянно происходит обмен веществ. Из внешней среды в клетку поступает вода, разнообразныесоли в форме отдельных ионов, неорганические и органические молекулы. Онипроникают в клетку через очень тонкие каналы плазматической мембраны. Вовнешнюю среду выводятся продукты, образованные в клетке. Транспорт веществ-одна из главных функций плазматической мембраны. Через плазматическую мембрануиз клети выводятся продукты обмена, а также вещества, синтезированные в клетке.К числу их относятся разнообразные белки, углеводы, гормоны, которыевырабатываются в клетках различных желез и выводятся во внеклеточную среду вформе мелких капель.   

 Клетки, образующие у многоклеточных животныхразнообразные ткани (эпителиальную, мышечную и др.), соединяются друг с другомплазматической мембраной. В местах соединения двух клеток мембрана каждой из нихможет образовывать складки или выросты, которые придают соединениям особуюпрочность.    

Соединение клеток растений обеспечивается путемобразования тонких каналов, которые заполнены цитоплазмой и ограниченыплазматической мембраной. По таким каналам, проходящим через клеточныеоболочки, из одной клетки в другую поступают питательные вещества, ионы,углеводы и другие соединения.   

На поверхности многих клеток животных, например,различных эпителиев, находятся очень мелкие тонкие выросты цитоплазмы, покрытыеплазматической мембраной, — микроворсинки. Наибольшее количество микроворсинокнаходится на поверхности клеток кишечника, где происходит интенсивноепереваривание и всасывание переваренной пищи.   

Фагоцитоз. Крупные молекулы органических веществ, напримербелков и полисахаридов, частицы пищи, бактерии поступают в клетку путемфагоцита (греч. “фагео” — пожирать). В фагоците непосредственное участиепринимает плазматическая мембрана. В том месте, где поверхность клеткисоприкасается с частицей какого-либо плотного вещества, мембрана прогибается,образует углубление и окружает частицу, которая в “мембранной упаковке”погружается внутрь клетки. Образуется пищеварительная вакуоль и в нейперевариваются поступившие в клетку органические вещества. 

Цитоплазма. Отграниченная от внешней средыплазматической мембраной, цитоплазма представляет собой внутреннюю полужидкуюсреду клеток. В цитоплазму эукариотических клеток располагаются ядро иразличные органоиды. Ядро располагается в центральной части цитоплазмы. В нейсосредоточены и разнообразные включения — продукты клеточной деятельности,вакуоли, а также мельчайшие трубочки и нити, образующие скелет клетки. Всоставе основного вещества цитоплазмы преобладают белки. В цитоплазме протекаютосновные процессы обмена веществ, она объединяет в одно целое ядро и всеорганоиды, обеспечивает их взаимодействие, деятельность клетки как единойцелостной живой системы.

Эндоплазматическая сеть. Вся внутренняя зонацитоплазмы заполнена многочисленными мелкими каналами и полостями, стенкикоторых представляют собой мембраны, сходные по своей структуре сплазматической мембраной. Эти каналы ветвятся, соединяются друг с другом иобразуют сеть, получившую название эндоплазматической сети. 

Эндоплазматическая сеть неоднородна по своемустроению. Известны два ее типа — гранулярная и гладкая. На мембранах каналов иполостей гранулярной сети располагается множество мелких округлых телец — рибосом, которые придают мембранам шероховатый вид. Мембраны гладкойэндоплазматической сети не несут рибосом на своей поверхности.   

Эндоплазматическая сеть выполняет много разнообразныхфункций. Основная функция гранулярной эндоплазматической сети — участие всинтезе белка, который осуществляется в рибосомах.   

На мембранах гладкой эндоплазматической сетипроисходит синтез липидов и углеводов. Все эти продукты синтеза накапливаются вканалах и полостях, а затем транспортируются к различным органоидам клетки, гдепотребляются или накапливаются в цитоплазме в качестве клеточных включений.Эндоплазматическая сеть связывает между собой основные органоиды клетки. 

Рибосомы. Рибосомы обнаружены в клетках всехорганизмов. Это микроскопические тельца округлой формы диаметром 15-20 нм.Каждая рибосома состоит из двух неодинаковых по размерам частиц, малой ибольшой.   

В одной клетке содержится много тысяч рибосом, онирасполагаются либо на мембранах гранулярной эндоплазматической сети, либосвободно лежат в цитоплазме. В состав рибосом входят белки и РНК. Функциярибосом — это синтез белка. Синтез белка — сложный процесс, которыйосуществляется не одной рибосомой, а целой группой, включающей до несколькихдесятков объединенных рибосом. Такую группу рибосом называют полисомой.Синтезированные белки сначала накапливаются в каналах и полостяхэндоплазматической сети, а затем транспортируются к органоидам и участкамклетки, где они потребляются. Эндоплазматическая сеть и рибосомы, расположенныена ее мембранах, представляют собой единый аппарат биосинтеза и транспортировкибелков.   

Митохондрии. В цитоплазме большинства клеток животныхи растений содержатся мелкие тельца (0,2-7 мкм) — митохондрии (греч. «митос» — нить, «хондрион» — зерно, гранула).

Митохондрии хорошо видны в световой микроскоп, спомощью которого можно рассмотреть их форму, расположение, сосчитатьколичество. Внутреннее строение митохондрий изучено с помощью электронногомикроскопа. Оболочка митохондрии состоит из двух мембран — наружной ивнутренней. Наружная мембрана гладкая, она не образует никаких складок ивыростов. Внутренняя мембрана, напротив, образует многочисленные складки,которые направлены в полость митохондрии. Складки внутренней мембраны называюткристами (лат. «криста» — гребень, вырост) Число крист неодинаково вмитохондриях разных клеток. Их может быть от нескольких десятков до несколькихсотен, причем особенно много крист в митохондриях активно функционирующихклеток, например мышечных.   

Митохондрии называют «силовыми станциями» клеток» таккак их основная функция — синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Этакислота синтезируется в митохондриях клеток всех организмов и представляетсобой универсальный источник энергии, необходимый для осуществления процессовжизнедеятельности клетки и целого организма.   

Новые митохондрии образуются делением уже существующихв клетке митохондрий.   

Пластиды. В цитоплазме клеток всех растений находятсяпластиды. В клетках животных пластиды отсутствуют. Различают три основных типапластид: зеленые — хлоропласты; красные, оранжевые и желтые — хромопласты;бесцветные — лейкопласты.   

Хлоропласт. Эти органоиды содержатся в клетках листьеви других зеленых органов растений, а также у разнообразных водорослей. Размерыхлоропластов 4-6 мкм, наиболее часто они имеют овальную форму. У высшихрастений в одной клетке обычно бывает несколько десятков хлоропластов. Зеленыйцвет хлоропластов зависит от содержания в них пигмента хлорофилла. Хлоропласт — основной органоид клеток растений, в котором происходит фотосинтез, т. е.образование органических веществ (углеводов) из неорганических (СО2 и Н2О) при использованииэнергии солнечного света.   

По строению хлоропласты сходны с митохондриями. Отцитоплазмы хлоропласт отграничен двумя мембранами — наружной и внутренней.Наружная мембрана гладкая, без складок и выростов, а внутренняя образует многоскладчатых выростов, направленных внутрь хлоропласта. Поэтому внутрихлоропласта сосредоточено большое количество мембран, образующих особыеструктуры — граны. Они сложены наподобие стопки монет.   

В мембранах гран располагаются молекулы хлорофилла,потому именно здесь происходит фотосинтез. В хлоропластах синтезируется и АТФ.Между внутренними мембранами хлоропласта содержатся ДНК, РНК и рибосомы.Следовательно, в хлоропластах, так же как и в митохондриях, происходит синтезбелка, необходимого для деятельности этих органоидов. Хлоропласты размножаютсяделением.   

Хромопласты находятся в цитоплазме клеток разныхчастей растений: в цветках, плодах, стеблях, листьях. Присутствием хромопластовобъясняется желтая, оранжевая и красная окраска венчиков цветков, плодов, осеннихлистьев.   

Лейкопласты. находятся в цитоплазме клетокнеокрашенных частей растений, например в стеблях, корнях, клубнях. Формалейкопластов разнообразна. 

Хлоропласты, хромопласты и лейкопласты способны клеткавзаимному переходу. Так при созревании плодов или изменении окраски листьевосенью хлоропласты превращаются в хромопласты, а лейкопласты могут превращатьсяв хлоропласты, например, при позеленении клубней картофеля. 

Аппарат Гольджи. Во многих клетках животных, напримерв нервных, он имеет форму сложной сети, расположенной вокруг ядра. В клеткахрастений и простейших аппарат Гольджи представлен отдельными тельцамисерповидной или палочковидной формы. Строение этого органоида сходно в клеткахрастительных и животных организмов, несмотря на разнообразие его формы.   

В состав аппарата Гольджи входят: полости,ограниченные мембранами и расположенные группами (по 5-10); крупные и мелкиепузырьки, расположенные на концах полостей. Все эти элементы составляют единыйкомплекс.  

Аппарат Гольджи выполняет много важных функций. Поканалам эндоплазматической сети к нему транспортируются продукты синтетическойдеятельности клетки — белки, углеводы и жиры. Все эти вещества сначаланакапливаются, а затем в виде крупных и мелких пузырьков поступают в цитоплазмуи либо используются в самой клетке в процессе ее жизнедеятельности, либовыводятся из нее и используются в организме. Например, в клетках поджелудочнойжелезы млекопитающих синтезируются пищеварительные ферменты, которыенакапливаются в полостях органоида. Затем образуются пузырьки, наполненныеферментами. Они выводятся из клеток в проток поджелудочной железы, откудаперетекают в полость кишечника. Еще одна важная функция этого органоидазаключается в том, что на его мембранах происходит синтез жиров и углеводов(полисахаридов), которые используются в клетке и которые входят в составмембран. Благодаря деятельности аппарата Гольджи происходят обновление и ростплазматической мембраны.   

Лизосомы. Представляют собой небольшие округлыетельца. От Цитоплазмы каждая лизосома отграничена мембраной. Внутри лизосомынаходятся ферменты, расщепляющие белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.   

К пищевой частице, поступившей в цитоплазму, подходятлизосомы, сливаются с ней, и образуется одна пищеварительная вакуоль, внутрикоторой находится пищевая частица, окруженная ферментами лизосом. Вещества,образовавшиеся в результате переваривания пищевой частицы, поступают вцитоплазму и используются клеткой.   

Обладая способностью к активному перевариванию пищевыхвеществ, лизосомы участвуют в удалении отмирающих в процессе жизнедеятельностичастей клеток, целых клеток и органов. Образование новых лизосом происходит вклетке постоянно. Ферменты, содержащиеся в лизосомах, как и всякие другие белкисинтезируются на рибосомах цитоплазмы. Затем эти ферменты поступают по каналамэндоплазматической сети к аппарату Гольджи, в полостях которого формируютсялизосомы. В таком виде лизосомы поступают в цитоплазму. 

 Клеточный центр.  В клетках животных вблизи ядранаходится органоид, который называют клеточным центром. Основную частьклеточного центра составляют два маленьких тельца — центриоли, расположенные внебольшом участке уплотненной цитоплазмы. Каждая центриоль имеет форму цилиндрадлиной до 1 мкм. Центриоли играют важную роль при делении клетки; они участвуютв образовании веретена деления. 

 Клеточные включения. К клеточным включениям относятсяуглеводы, жиры и белки. Все эти вещества накапливаются в цитоплазме клетки ввиде капель и зерен различной величины и формы. Они периодически синтезируютсяв клетке и используются в процессе обмена веществ. 

 Ядро. Каждая клетка одноклеточных и многоклеточныхживотных, а также растений содержит ядро. Форма и размеры ядра зависят от формыи размера клеток. В большинстве клеток имеется одно ядро, и такие клеткиназывают одноядерными. Существуют также клетки с двумя, тремя, с несколькимидесятками и даже сотнями ядер. Это — многоядерные клетки. 

Ядерный сок — полужидкое вещество, которое находитсяпод ядерной оболочкой и представляет внутреннюю среду ядра.

Химический состав клетки. Неорганические вещества   

Атомный и молекулярный состав клетки. Вмикроскопической клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют вразнообразных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке,-одно из основных условий ее жизни, развития и функционирования.   

Все клетки животных и растительных организмов, а такжемикроорганизмов сходны по химическому составу, что свидетельствует о единствеорганического мира.

Содержание химических элементов в клетке

Элементы        Количество (в %)       Элементы     Количество (в %)

Кислород                     65-75              Кальций                    0,04-2,00

Углерод                       15-16              Магний                      0,02-0,03

Водород                       8-10                Натрий                      0,02-0,03

Азот                             1,5-3,0            Железо                       0,01-0,015

Фосфор            0,2-1,0            Цинк                          0,0003

Калий                           0,15-0,4          Медь                          0,0002

Сера                             0,15-0,2          Йод                            0,0001

Хлор                             0,05-0,1          Фтор                          0,0001 

В таблице приведены данные об атомном составе клеток.Из 109 элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаруженозначительное их большинство. Особенно велико содержание в клетке четырехэлементов — кислорода, углерода, азота и водорода. В сумме они составляют почти98% всего содержимого клетки. Следующую группу составляют восемь элементов,содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Этосера, фосфор, хлор, калий, магний, натрий, кальций, железо. В сумме онисоставляют 1.9%. Все остальные элементы содержатся в клетке в исключительномалых количествах (меньше 0,01%)   

Таким образом, в клетке нет каких-нибудь особенных элементов,характерных только для живой природы. Это указывает на связь и единство живой инеживой природы. На атомном уровне различий между химическим составоморганического и не органического мира нет. Различия обнаруживаются на болеевысоком уровне организации — молекулярном. 

Биология опухолевой клетки

Клетка многоклеточного организма может существовать вдвух состояниях: нормальном и трансформированном, т.е. опухолевом. Дляисследовательских целей во многих случаях более удобна культура опухолевыхклеток.

Опухолевая клетка по многим биохимическим признакамотличается от нормальной. Её наиболее характерным отличительным свойствомявляется способность к непрерывному делению, которое не подчиняетсярегуляторным сигналам организма. В результате деления из одной клеткиобразуются две, также способные к бесконтрольному делению, т.е. способность кнерегулируемому делению передается по наследству. Увеличение размера опухолипроисходит за счет размножения исходной опухолевой клетки, а не превращенияновых нормальных клеток в опухолевые. Отсюда следует, что из одной опухолевойклетки в организме может возникнуть опухолевой узел.

Имеются прямые доказательства того, что опухоличеловека имеют моноклональное происхождение (клон — некоторое количествоклеток, произошедших от одной родительской клетки в результате ее деления).

Помимо способности к бесконтрольному росту еще двасвойства опухолей определяют их опасность для жизни организма: способность кинвазии и метастазированию.

Инвазия — явление прорастания опухоли в нормальныеткани, нарушая их питание, функционирование, что приводит их к гибели.

Метастазирование — это способность злокачественнойопухоли образовывать опухолевые узлы в отдаленных от первичной опухоли частяхорганизма. Опухолевые клетки, в отличие от нормальных, плохо скреплены междусобой. Отрываясь от основного узла, одиночные опухолевые клетки током крови илилимфы разносятся по всему организму. В некоторых органах они могут задержатьсяи начать делиться, что приведет к образованию новых опухолевых узлов, способныхк инвазии, таким образом, даже если опухоль поражен не жизненно важный орган,то и в этом случае способность опухоли к метастазированию делает ее опасной дляжизни.

Особый интерес представляет вопрос, может ли идтиобратный процесс, т.е. может ли из опухолевой клетки образоваться нормальная?Дать положительный ответ, разумеется, никто не решится, но в то же времяимеются данные, свидетельствующие о теоретической возможности перерождения — нормализации опухолевых клеток.

Было отмечено, что при введении некоторых веществ(масляной кислоты, диметилсульфоксида, витамина А и др.) в клеточную культуруопухоли, клетки по некоторым биохимическим признакам становились похожими нанормальные, однако при удалении этих веществ клетки вновь приобретали опухолевыечерты.

Беатриса Минц, одна из исследователей рака,пересаживала клетку тератомы — опухоли семенников черной мыши в полостьбластулы (этап развития оплодотворенной яйцеклетки) белой мыши. Черезположенный срок рождались мышата, которые отличались от контрольных только тем,что они были пестрыми — на белой шкурке были черные полосы. Следовательно, вокружении нормальных клеток опухолевая клетка включилась в процессы развитияорганизма как нормальная клетка.

Наконец, каждый из нас слышал о чудесных случаяхисчезновения опухолей и выздоровления больных раком. Анализ историй болезнейлюдей, болевших в стадии, когда медицина была бессильна им помочь и никакоголечения не проводилось, показывает, что очень малая доля больных по совершеннонепонятным причинам выздоравливала. Погибали ли опухолевые клетки в организме врезультате изменений в функционировании всего организма, превращались ли они внормальные клетки — совершенно неизвестно.

Итак, рак это с одной стороны генетическоезаболевание, когда ломается заранее заданная программа клеточного деления иклетка переходит в режим безостановочного самовоспроизводства, а с другойстороны — иммунное заболевание, поскольку происходит нарушение координации всистеме надзора за тем, чтобы клетки, нарушившие закон о строгом выполнениипрограммы развития, уничтожались.

Клонирование

Термин «клонирование» стремительно вошел вширокий лексикон около двух лет назад: тогда специалисты Рослинского институтав Шотландии сообщили и существовании овечки Долли, появившейся на свет методомбесполого размножения. Кейт Кемпбелл и его сотрудники брали клетки из груднойжелезы шестилетней беременной овцы ( в таком случае эти клетки лучше могутделиться), извлекали из полученной культуры ядра и внедряли их в предварительноочищенные от собственных ядер яйцеклетки других овечек. После нескольких сотенопытов одна из подобных манипуляций удалась: таким путем на свет появиласьДолли — овечка, генетический код которой тождествен коду овцы-донора.

В воздухе запахло сенсацией: если таким методомудается создать млекопитающую овечку, то почему нельзя тем же путем произвестии не менее млекопитающего человека?

А была ли Долли? 

  Возможно, что споры юристов и политиков вокругдопустимости клонирования человека получат неожиданное завершение. Видныебиологи недавно высказали серьезные сомнения в чистоте эксперимента с овцойДолли. Заявления скептиков стали темой горячих дебатов среди генетиков. Критикеподвергнут научный отчет, опубликованный Яном Уилмутом и его коллегами изРослинского института в Шотландии, где появилась на свет Долли.

Оппоненты утверждают, что авторы отчета не сумелидоказать, что Долли и ее «мать» обладают одинаковой генетическойструктурой. А без этого невозможно установить, действительно ли Долли являетсяклоном взрослого животного. В стане скептиков оказался и нобелевский лауреатпрофессор Уолтер Гилберт из Гарвардского университета США. Его сомненияосновываются на том, что клетки, которые использовались для создания Долли,были взяты у овцы, умершей за 3 года до ее рождения. Клетки были заморожены длядругих целей, поэтому невозможно напрямую сравнить наследственный материалДолли с ее живым клоном.

Профессор Нортон Зиндер, специалист в областимолекулярной генетики из университета Рокфеллера в Нью-Йорке, не исключает, чтородительницей знаменитой овцы стала «заблудившаяся» клетка зародыша.Известны случаи, когда эмбриональные клетки попадали в кровь беременныхживотных. «Клонирование Долли было единственной удачей из 400 попыток. Этоанекдот, а не результат. Во время эксперимента могли произойти любыевообразимые и невообразимые ошибки», — утверждает Зиндер.

Высказывают сомнения и более основательные. Хотякаждая отдельная клетка несет в себе полную наследственную информацию о нем,большинство генов быстро «отключается». Клетки специализируются, такчто, например, из клетки печени не сможет получиться клетка мозга.

Доказательство происхождения Долли, считают, профессорКлаус Раевски, директор Института генетики Кельнского университета, и егоколлега Вернер Мюллер, не обладает стопроцентной генетической достоверностью.Нельзя исключить и путаницу с исходными клетками. В целом, шотландскиесоздатели Долли в течение нескольких месяцев проделали 834 опыта поклонированию, используя три различных типа клеток, размеры которых составляютвсего несколько тысячных долей миллиметра. Возможно и «загрязнение»клеток вымени. В чашке Петри, очевидно, могли плавать и другие вещества, чтопризнает даже сам «автор» Долли Ян Уилмут. Сомнения могла быустранить только вторая Долли, то есть успешное повторение шотландскогоэксперимента.

Клонирование — ключ к вечной молодости?

Немало спекуляций и домыслов появилось в последнеевремя относительно нового способа «изготовления» людей путемклонирования. Тут и страхи появления нового Гитлера и ему подобных, ирассуждения в духе апокалипсиса о том, что в будущем клоны вытеснят и уничтожат«нормальных людей», и другие тому подобные ужасы.

За всю историю человечество сотворило немалоглупостей, но возможный запрет клонирования рискует побить все рекорды. Ибо оно,клонирование, не просто гуманно по своей сути, но способно кардинально решитьтакие проблемы, как трансплантация органов, возможность иметь детей при самыхтяжелых случаях бесплодия и одиноким людям, а также шанс потерявшим ребенкародителям хоть немного смягчить свое горе, воспитывая двойника.

Трансплантация клонируемых органов способна спастимиллионы людей, умирающих по всему свету из-за дефицита органов, которыйсоздается, кстати, из-за всевозможных ограничений, навязанных«моралистами»: целостность трупа и его неприкосновенность послесмерти.

Вторым важным следствием трансплантации клонируемыхчастей тела может стать пересадка утраченных органов: рук, ног, глаз и т.д.Лишить людей надежды забыть про инвалидность и стать нормальными людьми — развеэто не в высшей степени негуманно?

Культивирование клеток растений

Полемика, вызванная успешным клонированием рядаживотных, почему-то оставила в тени успехи, связанные с клонированием растений.Ведь уже достаточно давно мы имеем дело либо непосредственно с растениями,разводимыми на основе клонирования, либо с веществами, полученными изкультивируемых растительных клеток и тканей. Так, с помощью культивированиямеристемы, гарантирующего безвирусность растения, были выведены всюдупродаваемые гвоздики, хризантемы, герберы и другие декоративные растения. Такжеможно купить и цветки экзотических орхидных растений, производство клоновкоторых уже имеет промышленную основу. Некоторые сорта клубники, малины,цитрусовых выведены с использованием техники клонирования. Прежде для выведениянового сорта требовалось 10-30 лет, теперь же, благодаря применению методовкультивирования тканей этот период сокращен до нескольких месяцев. Весьмаперспективными признаются работы, связанные с производством на основе культивированиятканей растений лекарственных и технических веществ, которые невозможнополучить путем синтеза. Так, уже получают подобным способом из клеточныхструктур барбариса изохинолиновый алкалоид берберин, а из женьшеня — гинсеносид.

Основу культивирования растительных клеток и тканейсоставляют содержащаяся в каждой клетке информация о всех свойствах ивозможностях организма и способность клетки к самостоятельному обмену веществ.Для культивирования подходят различные органы растений. Как правило, используютмолодые листья и осевые побеги верхних мутовок, а также столоны, клубни,пыльники, кончики корней, пазушные почки и другие части растения. Меристемныеткани верхушек ростовых побегов и корней имеют особое значение для получениябезвирусных клонов. Отобранный материал стерилизуется различными веществами.При этом необходимо соблюсти баланс времени, чтобы, с одной стороны, егопродолжительность обеспечила уничтожение микроорганизмов, с другой — неповредила бы клетки самой растительной ткани. Подготовка материала ккультивированию завершается многократным обмывом стерильной водой, после чегоего помещают в стерильную рабочую банку на питательную среду и растятобязательно в стерильных условиях.

Свойство питательной среды определяются поставленнымицелями культивирования растительного материала, поскольку именно от заданныхусловий зависит конечный продукт. Питательная среда бывает жидкой или твердой.Она, как правило, состоит из большого числа синтетических веществ с заданнойконцентрацией. Поскольку изолированные растительные клетки и ткани большейчастью являются гетеротрофными, в ней должен содержаться органически связанныйуглерод, источником которого обычно служат глюкоза или сахароза. Азотдобавляется в форме нитратов, используемых клетками с помощью нитратредуктазы.Применяют также фосфор, калий, кальций, магний, сульфаты. Необходимымкомпонентом являются витамины, в особенности группы В (В1, В2,В6), миоинозит, биотин, а также аминокислоты и органические соли. Кбезусловно необходимым микроэлементам относятся бор, марганец, иод, медь,кобальт, молибден. Так, недостаток марганца препятствует синтезу белков,уменьшает количество РНК и приводит к увеличению содержания свободныхаминокислот. Железо имеет значение для деления ядра и для деятельностидыхательных ферментов. Наконец, необходимо наличие в питательной среде рядафитогормонов. Манипулируя концентрациями различных веществ в питательныхсредах, кислотностью последних, температурой, освещенностью и влажностью вкамерах для культивирования, можно получить растения и вещества с требуемымисвойствами. В зависимости от используемых растительных клеток и тканей,способов культивирования различают следующие основные типы структур: каллюсные,суспензионные, протопластов, меристематические, пыльников.

Каллюсные структуры

Для каллюсных структур исходным материалом являетсякаллюс — это ткань, образующаяся у растений на местах ранений и способствующаяих заживлению. Она состоит из более или менее однородных паренхимных клеток,начало которым дает раневая меристема. Элементы каллюса мало дифференцированы,однако вблизи его поверхности наблюдается рост, обусловленный активностьюмеристематических клеток. Впоследствии в каллюсе возможна дифференцировка егоэлементов и образование флоэмы, ксилемы и других тканей. Наружные клеткикаллюса опробковевают.

Для культивирования на выбранном органе делают надрез,на всей поверхности которого развивается ткань, состоящая из неорганизованнорастущих клеток. Эта образовавшаяся ткань и культивируется в заданных условиях.В зависимости от вида растения и поставленной цели предварительно необходимоустановить состав питательных сред и концентрации фитогормонов, требуемых дляоптимального роста. Каллюсы могут выглядеть очень различно. Они бывают рыхлымиили плотными. Окраска каллюса позволяет судить об образовании вторичныхвеществ. Если каллюс содержать в полной темноте, он беловато-желтый. На светуон образует хлорофилл и становится зеленым. Красный свет указывает на наличиеантоциана и бетациана. Чтобы ослабить или устранить эти эффекты, в питательнуюсреду добавляют поливинилпирролидон, глутатион или аскорбиновую кислоту.Коричневые клетки образуются перед отмиранием, поэтому такую ткань необходимопоместить в свежую среду. При длительном культивировании каллюсы могут терятьсвой морфогенетический потенциал. После нескольких смен питательных сред и придобавлении ростовых гормонов каллюс дифференцирует и регенерирует, образуетосевые побеги, корни и, наконец, все растение целиком, способное к размножениюи выращиванию в грунте. Однако большей частью каллюсы используются в качествеисходного материала для клеточного или суспензионного культивирования.

Суспензионная культура

Для суспензионных культур исходным материалом могутбыть кака изолированные целые клетки выбранного органа растения, так иизмельченный каллюс. Образовавшиеся клетки помещают в жидкую питательную средуи культивируют при постояном перемешивании. Рост суспензионной культурыпроисходит во многих случаях существенно быстрее, чем каллюсной культуры,поскольку скопления клеток поглощают питательные вещества значительно большейобщей поверхностью, а у каллюса это происходит лишь в той его части, котораялежит на субстрате. При этом происходит деление клеток, новые клетки неотделяются, и их скопление увеличивается. С помощью особых приемовсуспензионную культуру можно перенести на твердую питательную среду. Здесь изклеток или комплексов клеток может образоваться способный к жизни каллюс. Всуспензии могут возникнуть также и зародыши, которы после их переноса на агаробразуют новое растение.

Культура протопластов.

Культуры протопластов получают главным образом изприготовленной из мезофила суспензии, обрабатывая ее ферментами, разрушающимиклеточные стенки. В результате этого может произойти присоединение чужихорганелл, а также чужой ДНК, которая встраивается в генетический материал ядра,что может выразиться в экспрессивности. Поскольку поверхности протопластовимеют отрицательный заряд, необходимо нейтрализовать их отталкивание друг отдруга, после чего они соединяются. После слияния происходит регенерацияклеточной стенки. Она образуется менее чем за сутки, после чего клетки начинаютделиться и регенерируют новые растения. Во многих случаях удавались слиянияпротопластов разных родительских растений и последующая регенерация черезкультуру каллюса нового растения с заданными свойствами. Оказалось возможнымскрещивать представителей разных видов и родов, что прежде не удавалось.Слиянием протопластов вырастили, например, гибрид картофеля и томата,«томофель». Этот способ имеет коммерческое значение при выведенииновых сортов соевых бобов, цитрусовых, сахарного тростника, кукурузы, пшеницы икартофеля. Получен также гибрид двух видов дурмана, содержащий на 25% большеалкалоида тропана в сравнении с родительскими растениями.

Меристематическая культура.

Для меристематической культуры используют меристему — образовательную ткань растений, долго сохраняющую способность к делению иобразованию новых клеток и отличающуюся высокой метаболической активностью. Длякультивирования изолируют конусы нарастания побегов, корней, а также пазушныепочки. Меристематические культуры более известны в садоводстве, так как онидают возможность получить безвирусные клоны. Из этого можно сделать  вывод, чтораспределение вирусов в различных частях растения неравномерное, а меристема ихлишена. Из безвирусной меристемы в большом количестве могут регенерироватьгенетически идентичные безвирусные растения. Этот способ используют длявыведения сортов картофеля, винограда, а также декоративных растений и в лесоводстве.

Культура пыльников.

Культура пыльников используется для получениягаллоидных растений. Как правило, растение является диплоидным, т.е. в егоклетках содержится два гомологичных набора хромосом. Только зародышевые клеткиявляются гаплоидными. Для получения гаплоидной культуры наиболее удобнынезрелые пыльники, в которых пыльцевые зерна находятся еще в стадии,предшествующей первому делению микроспор на вегетативное и генеративное зерна.После переноса стерильных пыльников на питательную среду пыльцевые клеткиначинают делиться. Развивается промежуточный каллюс или сразу образуетсягаплоидный зародыш, который позднее дифференцируется в гаплоидное растение.Такие гаплоидные растения стерильны, но они могут перейти в диплоиды послевоздействия колхицина или слияния протопластов. Так образуются плодовитыегомозиготные чистые линии растений, имеющие большое значение для селекции,поскольку в последующих поколениях всегда встречаются те же заданные признаки.Благодаря этому методу выведены новые сорта зерновых и табака, а также полученымногочисленные лекарственные растения с улучшенными свойствами.

Регенерация

Регенерация — явление восстановления целого организмаиз его части. При культивировании регенерация может происходить разными путями:прямая регенерация из культур меристемы, верхушечных побегов, пазушных почек иузлов, причем дифференциация управляется фитогормонами, и косвенная, спромежуточной стадией каллюса. В последнем случае возможны также возможны двапути: при органогенезе определенными концентрациями и соотношениямифитогормонов вызывают образование придаточных побегов и корней; присоматическом эмбриогенезе в каллюсе образуются зародыши, из которых вырастаетрастение, затем переносимое в грунт.

Список литературы

«Биология» — еженедельное приложение кгазете «Первое сентября» (№21 1998)

«Биология» — еженедельное приложение кгазете «Первое сентября» (№21 1997)

«Биология» — еженедельное приложение кгазете «Первое сентября» (№7 1998)

Медицинская газета №34-35 (29 апреля 1998 г.)

Энциклопедия «Биология»