kub
Островок  здоровья

----
  
записная книжка врача акушера-гинеколога Маркун Татьяны Андреевны
----
 
 
 

Клеточные и генетические основы биотехнологии

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Первобытная биотехнология - основа цивилизации
Успехи "домолекулярной" биотехнологии
Микроорганизмы - продуценты веществ и энергии
Некоторые сведения из молекулярной биологии
Принципы и методы генетической инженерии
Инженерия клеток
Биотехнология синтеза белков человека
Перенос генов в клетки животных и растений
Заключение
Литература [показать]
В брошюре рассказывается о научных предпосылках биотехнологии - успехах в изучении биологии клетки, строения и функций генетического аппарата и о путях использования этих теоретических знаний в решении практических задач, важных для сельского хозяйства, биологической промышленности и медицины. Рассматриваются основные направления современной биотехнологии, ее близкие и далекие перспективы.

НЕЙФАХ Александр Александрович - доктор биологических наук, главный научный сотрудник Института биологии развития АН СССР. Автор открытия периодичности морфогенетической функции ядер (1962 г.) и более 150 научных работ и 5 книг по вопросам молекулярной биологии развития, изданных у нас и за рубежом.

Рецензент Н.Г. Xрущов, член-корреспондент АН СССР.

Перенос генов в клетки животных и растений

Получение рекомбинантных ДНК, например плазмид, содержащих, кроме собственной ДНК, промоторы бактерий и гены животных или человека, и их введение в микроорганизмы - реальное достижение генетической инженерии, уже вошедшее в практику новой биотехнологии. Возможности этого пути использованы пока в небольшой степени и только для нужд медицины. Очевидно, что использование микроорганизмов для синтеза в них с помощью рекомбинантной ДНК ценных белков или других веществ будет расширяться и может привести к удешевлению продуктов питания и увеличению их количества.

Иные возможности возникают на другом пути - введения генов в клетки и в организм животных и растений. Если бы это удалось осуществить, у нас появилась бы возможность не только синтезировать белки животных в более подходящих условиях, чем в клетках микроорганизмов, но и изменять генетическую природу самих животных и растений - увеличивать их продуктивность, придавать им новые свойства, а применительно к человеку, может быть, и исправлять генетические дефекты. Однако пока этот второй путь - только объект интересных исследований и дерзких попыток.

По страницам научных изданий

Французские и американские ученые независимо друг от друга обнаружили, что некоторые живые организмы не подчиняются всеобщим правилам генетического кода, который считался универсальным. Они используют другой язык, и это заставляет внести определенные коррективы в существующую в настоящее время теорию эволюции. Кодоны УАА, УАГ, УГА (нонсенс-кодоны) у всех изученных организмов служат естественными сигналами терминации. У парамеции (туфельки) только кодон УГА является терминирующим, а два других - кодируют глутамин. В дальнейшем оказалось, что и другие инфузории воспринимают сигнал УАА как продолжение синтеза. Предполагают, что оба известных теперь кода могли возникнуть от одного прародительского кода. Реснитчатые инфузории представляют собой, возможно, эволюционное ответвление, очень древнее и сформировавшее редкое семейство организмов (может быть, единственное), использующее еще и сегодня старый генетический код

(РЖ. 04. Биология, № 8, 1986, 8Я144).

Выше уже отмечалось, что если ДНК, содержащую те или иные гены, добавить к культуре клеток животных, то очень в небольшом проценте эта ДНК оказывается внутри клеток и, более того, она встраивается в их хромосомы и начинает экспрессироваться - проявлять свои генетические свойства. Наиболее часто в таких опытах в качестве маркера используют ген вирусной тимидинкиназы - фермента, участвующего в образовании тимидина. Если клетки не имели этого гена (а такие дефектные линии клеток специально подбирают), то для их роста необходим тимидин. Если ген тимидинкиназы в них проник и функционирует, они перестают быть дефектными и синтезируют тимидин сами. Значит, если к культуре таких дефектных клеток добавить сначала ДНК с геном тимидинкиназы, а затем поместить их в среду без тимидина, выживут и дадут колонии только те клетки (пусть очень немногие), в которых привнесенный ген заработал. По числу таких колоний мы может судить о том, как часто такое событие происходит.

Оказалось, что эту частоту можно во много раз увеличить, если ДНК вносить вместе с фосфатом кальция - такой комплекс проникает в клетки легче. Проникновение усиливается также при добавлении некоторых полимеров, вероятно, защищающих ДНК от действия разрушающих ее дезоксирибонуклеаз (ДНКаз). Для этой цели используют также липосомы - искусственные липидные пузырьки, которые сливаются с поверхностью клеток и освобождают в них свое содержимое.

ДНК можно ввести в клетку путем микроинъекции или просто уколом иглы, если поместить клетку в раствор чужеродной ДНК (в образовавшееся отверстие проникнет и ДНК). Часть молекул ДНК попадает в ядро, а часть попавших встраивается в состав ДНК хромосомы. Эффективность всех этих методов очень низка, но ведь многого и не требуется - из одной клетки можно вырастить сколько угодно клеток. Культуру клеток млекопитающих с встроенным в них геном можно использовать как место для синтеза нужных белков. Но все-таки возможности клетки ограниченны. А если ввести гены в целый организм?

Многие наследственные болезни человека возникают в результате отсутствия какого-либо необходимого фермента. Если бы ген этого фермента ввести даже не во все клетки больного, а в часть их, то это привело бы к излечению многих наследственных болезней.

При многих формах диабета у больного отсутствуют или неактивны специальные клетки поджелудочной железы (клетки А островков Лангерганса), в которых синтезируется инсулин. Как мы знаем, инсулин животных или (теперь) человека можно вводить извне, что спасает больного. Однако полного выздоровления не происходит, ибо синтез инсулина в нормальном организме зависит от концентрации в крови глюкозы и регулирует ее количество. Чем больше в крови глюкозы, тем больше синтезируется инсулина, а чем больше инсулина, тем скорее глюкоза в печени превращается в гликоген. В результате количество ее в крови уменьшается и уменьшается синтез инсулина. При инъекциях инсулина такой тонкой регуляции добиться невозможно.

Сейчас на животных получены первые результаты по введению в них клеток А, заключенных в особые полимерные шарики с очень маленькими отверстиями. Без таких шариков чужеродные клетки быстро уничтожаются иммунной системой организма. Если же эти шарики с клетками ввести прямо в брюшную полость животного, клетки А прекрасно синтезируют инсулин и делают это в зависимости от концентрации глюкозы, т. е. так, как это происходит в здоровом организме. В ближайшем будущем благодаря этим экспериментам, возможно, лечение диабета станет намного совершеннее, чем до сих пор. Впрочем, уже сейчас за рубежом налаживается производство небольших аппаратов, которые присоединяются к кровеносному сосуду больного и постоянно определяют содержание глюкозы в крови. В зависимости от ее концентрации тот же аппарат вводит в кровь необходимое количество инсулина.

Для того чтобы ввести гены во все клетки целого организма, их нужно вводить в яйцеклетку. Тогда, если эти гены встроются в хромосомы, они окажутся во всех клетках организма, который разовьется из этой яйцеклетки. В первых опытах такого рода была использована ДНК плазмиды, содержащей ген тимидинкиназы. Такие ДНК вводили в яйцеклетку мыши. Это довольно сложная операция. Сначала свежеоплодотворенную яйцеклетку нужно извлечь из мыши, а лучше оплодотворить ее в пробирке. Затем под микроскопом нужно ввести в такую яйцеклетку тончайшую иглу стеклянного микрошприца, в которую перед тем всосали раствор ДНК. Оказалось, однако, что такую микроинъекцию лучше делать не просто в яйцеклетку, а прямо в клеточное ядро. Тотчас после оплодотворения яйцеклетка содержит два ядра - собственное (женское) и мужское, которое образовалось из вошедшего в яйцо сперматозоида. Лучший эффект почему-то получается, если чужеродную ДНК вводить в мужское ядро. Но и тогда, хотя в ядро попадают сотни молекул ДНК, даже одна из них не всегда встраивается в ДНК хромосом хозяина.

Оплодотворенную яйцеклетку помещают в подходящие условия, где она проходит первые стадии развития и образует бластоцисту - пузырек, состоящий из нескольких сот клеток. Такую бластоцисту помещают в матку подготовленной для этого мыши. Введенные бластоцисты внедряются (имплантируются) в стенку матки, и в большом проценте случаев из них развивается нормальные мышата. У некоторых из них (от нескольких до 50%) в клетках обнаруживается чужеродная ДНК, внедрившаяся в хромосомы хозяина. У части таких мышей и в некоторых их клетках происходит экспрессия чужеродных генов, т. е. на генах синтезируется мРНК (транскрипция), а на этой мРНК синтезируется соответствующий белок (трансляция). Таких животных с интегрированной чужеродной ДНК называют, трансгенными.

Наиболее впечатляют опыты, проведенные в США и в нашей стране, по введению в яйцеклетку мыши генов гормона роста крысы. Эти животные были выбраны потому, что они достаточно близки и гормон роста крысы - соматотропин - действует и на рост мышонка. Ген гормона роста крысы был выделен из "библиотеки" генов и клонирован. Так как этот ген предназначался для экспрессии в клетках млекопитающих, то промотор бактерий здесь непригоден, а нужен был регуляторный участок гена млекопитающих - энхансер. С этой целью выделили другой ген - белка металлотинеина, который активно синтезируется в печени и служит для того, чтобы связывать ионы тяжелых металлов. От гена металлотинеина был отделен его энхансер, который включает этот ген при появлении в крови тяжелых металлов. Этот энхансер был помещен в плазмиду перед геном соматотропина вместо его собственного. Такая рекомбинантная ДНК и была введена в яйцеклетки мыши.

У некоторых мышат в хромосомах оказался интегрированным ген крысиного соматотропина. Этим мышатам в корм добавляли соли цинка, которые активируют энхансер металлотинеина, и тем самым должны были включать и введенный ген соматотропина. Действительно в крови многих из этих мышат была обнаружена высокая концентрация гормона роста крысы. И росли эти мышата заметно быстрее: по весу они оказались почти в 2 раза тяжелее, чем такие же мыши, которым ген гормона не вводили. Интересно, что этот гормон синтезировался не в гипофизе, как это свойственно соматотропину, а в печени. Это и понятно, ведь работой этого гена управлял энхансер того гена, который функционирует только в печени. У части потомства этих мышей в геноме тоже сохранился ген крысиного соматотропина.

Есть ли у этих опытов практическая перспектива? Скорее всего, да, хотя некоторые факты настораживают. Если не все потомство трансгенных мышей получает введенные гены, значит, они попадают не во все клетки, или же интеграция чужеродных генов не стабильна, т.е., раз попав, они могут затем теряться. Не всегда происходит и экспрессия интегрированных генов. Может быть, их экспрессия зависит от места на хромосоме, куда они случайно интегрировались? У некоторых мышей концентрация крысиного гормона в крови была в десятки раз выше нормы, тем не менее эти мышата были только вдвое крупнее обычных. Очевидно, кроме гормона роста, есть и другие факторы, ограничивающие рост. И наконец, такой практический вопрос: нужны ли нам не мыши, конечно, а сельскохозяйственные животные двойного размера? Это не очевидно. Будет ли, например, полученная от них продукция - мясо, молоко, шерсть - дешевле, чем от обычных? Ведь корма им надо в расчете на килограмм веса, вероятно, не меньше. Может быть, несколько дешевле окажется уход за ними (за одной коровой вместо двух). Но не окажется ли уход за такой большой коровой сложнее и, следовательно, дороже, чем за обычной? Все это еще предстоит выяснять и проверять. Пока же у нас есть только результаты, полученные на мышах.

Однако после того, как эксперименты такого рода будут перенесены (например, на коров), можно будет подумать и о новых возможностях. Так, нельзя ли поместить ген интерферона или инсулина человека после энхансера гена белка молока - казеина и затем ввести такую ДНК в яйцеклетку коровы? Если бы это удалось, мы могли бы получать эти белки человека вместе с коровьим молоком. Может быть, это окажется дешевле, чем их синтез в микроорганизмах. А возможно, когда-либо удастся ввести коровам гены, контролирующие синтез лизина, или получать таким путем породу, не нуждающуюся в кормовых добавках? Все это пока звучит фантастично, но не так ли фантастично выглядел 30 лет назад проект получения инсулина из бактерий?!

Поскольку речь зашла об экспериментах с яйцеклетками и ранними зародышами млекопитающих, есть смысл обсудить некоторые другие проблемы и возможности, связанные с этим объектом. В животноводстве очень трудно получить абсолютно чистопородных животных. Для этого необходимо проводить инбридинг - скрещивание братьев с сестрами - в течение многих десятков лет. Поэтому даже среди животных одной породы встречаются как более, так и менее продуктивные. Самых продуктивных коров, дающих больше молока или имеющих в нем больший процент жира, окружают особым вниманием и стараются получить от них больше потомства. Но от одной коровы трудно получить более 10-12 телят. В развитых странах в таких случаях сейчас поступают иначе. Корове-рекордистке вводят половые гормоны, так что у нее одновременно созревают десятки яйцеклеток. Их вымывают, искусственно оплодотворяют спермой породистого быка, затем ранних зародышей размещают в матки обычных коров. Так от одного животного удавалось получить не десять, а более 60 телят.

Потомство рекордистки в среднем оказывается лучше обычных коров, но все же они очень редко достигают уровня своей матери. Ведь им достается только половина ее хромосом, а другая половина приходит от отца. Продуктивность - удойность и жирность молока - определяется очень большим числом генов, разнесенных по разным хромосомам. Поэтому-то сочетание хромосом и генов, полученных от обоих родителей, редко оказывается таким же удачным, каким оно было у матери-рекордистки. Другое дело, если бы удалось получить коров с точно таким же набором хромосом, какой имелся у рекордистки. Возможно ли это? Пока неясно.

Дело в том, что, по имеющимся сегодня данным, хромосомы и содержащиеся в них гены не изменяются в ходе развития, и в клетках взрослого организма находится тот же их набор, какой оказался после оплодотворения в яйцеклетке, из которой этот организм развился. Поэтому кажется заманчивой идея пересадить клеточное ядро со всеми хромосомами из взрослого животного в другую яйцеклетку, если у нее предварительно удалить собственное ядро.

Выше уже говорилось, что эти опыты удались на лягушках, но совершенно не удаются на мышах и, очевидно, на млекопитающих вообще. Есть основания думать, что трудности тут не принципиальные, а технические. Если это так, то рано или поздно будет найден прием, позволяющий получить ядра от взрослого млекопитающего, пересадить их в яйцеклетки и вырастить из них полноценные взрослые организмы. Если это станет реальным, перед нами откроются возможности получать от одного животного любое количество потомков, которые в генетическом смысле были бы не потомками, а как бы сестрами-близнецами той коровы, у которой без треда для нее взяли небольшое количество клеточных ядер для пересадки в чужие яйцеклетки. Животные, выращенные из них в теле других "матерей", были бы как две капли воды похожи на ту, от которой взяли ядра для пересадки - ведь у них был бы тот же самый набор хромосом и генов.

Использование этой пока фантастической идеи рассматривали и применительно к человеку. Если природный талант человека (музыкальная одаренность или гениальность в науке) определяется генетически, то "близнец", полученный путем пересадки ядер, должен обладать такими же врожденными способностями. Эта идея получила название "клонирование животных и людей". Не касаясь вопроса об этичности ее применения к человеку, мы можем пока повторить, что даже на мышах эти пересадки ядер до сих пор были неудачны и нет ясности в том, возможны ли они вообще.

Перенос генов в клетки растений и в целые растения представляет собой самостоятельную проблему, значение которой для новой биотехнологии, пожалуй, не меньшее, чем перенос генов в клетки животных. Урожайность сорта определяется многими составляющими, среди которых - зависимость от источников связанного азота (этот вопрос мы обсудим отдельно), устойчивость к вредителям и болезням, приспособленность к природным условиям (потребности в воде, температуре, освещенности), технологичность уборки (неполегаемость, одновременность созревания) и многие другие. Все эти свойства определяются генетически, и в большей или меньшей степени их можно изменять и совершенствовать путем подбора скрещиваемых растений и селекции.

Однако создание сорта, удовлетворяющего сразу стольким требованиям, - процесс долгий, тем более что цикл размножения у большинства растений не менее года и только для некоторых видов (в искусственных условиях) удается получать два или три поколения в год. Но и в этих условиях селекционер может комбинировать признаки только разных сортов одного вида или в крайнем случае очень близких видов. Поэтому введение чужеродных генов с использованием техники генетической инженерии может стать методом, позволяющим не только существенно ускорить этот процесс, но и создавать сорта с принципиально новыми свойствами, определяемыми генами далеких видов, а в перспективе и генами, заимствованными у микроорганизмов и животных.

Как мы знаем, перенос генов требует не только их выделения и клонирования, но и наличия вектора - плазмиды, вируса, способных проникнуть в клетку и включиться (интегрироваться) в чужеродный геном. Для растений такие векторы (правда, пока очень в небольшом количестве) удалось обнаружить. Существует бактерия Агробактериум тумефациенс, которая паразитирует на двудольных растениях и вызывает у них опухолеподобное разрастание в корневой шейке - там, где соединяются стебель и корень. В этой опухоли и поселяются бактерии. Они содержат большую плазмиду, которая способна выходить из бактерии и проникать в клетки растений. Плазмида имеет гены, которые обеспечивают прикрепление бактерии к растительной клетке и перенос плазмиды внутрь нее. Кроме того, плазмида содержит гены, вызывающие разрастание растительных клеток, образование из них опухоли. Поэтому ее назвали Ти-плазмидой (от английского "тьюмор-индьюсинг", т. е. вызывающая опухоль). В составе этой плазмиды обнаружен относительно небольшой участок ДНК, составляющий всего 5% длины всей плазмиды. Этот участок, так называемая Т-ДНК, попав в растительную клетку, вырезается и встраивается в хромосому растительной клетки-хозяина. Именно в Т-ДНК находятся гены, вызывающие опухолевый рост, а также гены, способствующие синтезу особых веществ опинов, необходимых для роста бактерий. Таким путем бактерия через свою Ти-плазмиду создает себе условия для размножения внутри опухоли.

Путем сложных манипуляций в Т-ДНК Ти-плазмиды удалось ввести некоторые гены других бактерий (ген устойчивости к антибиотику канамицину) или животных (ген фермента дегидрофолатредуктазы, определяющий устойчивость к ингибитору - метотрексату). Затем эту плазмиду вернули в ее бактерию и "заразили" ею растение. Оказалось, что такие растения в некоторых (не очень частых) случаях приобретают свойства, определяемые введенными генами, т. е. устойчивость к антибиотику или к ингибитору. Однако такой результат получался не часто и не со всеми генами. Поэтому сейчас большое внимание уделяют другой бактерии - Агробактериум ризогенис, которая содержит Ри-плазмиду (от "рут-индьюсинг" - индукция роста корней), в которой также содержится Т-ДНК, встраивающаяся в хромосомы растительных клеток и прочно в них удерживающаяся.

Для того чтобы получить не только опухоль, а целое растение, содержащее введенные гены, Ти- и Ри-плазмиды вводят не через корни, а обрабатывают ими лишенные целлюлозных оболочек изолированные растительные клетки - протопласты, из которых потом выращивают целое растение. Однако эти возможности, к сожалению, трудно применить к однодольным растениям, в частности к злакам (пшеница, кукуруза, рис и др.), которые наиболее ценны для человека. Агробактерии не растут на злаках и не передают им свои плазмиды, а из протопластов злаков не удается пока вырастить целое растение.

Существуют и другие методы введения генов в растительные клетки. Для этого в качестве векторов используют некоторые вирусы растений, например мозаики цветной капусты, или ДНК из митохондрий либо хлоропластов растений. Сейчас во всех этих направлениях ведется активная работа и есть первые сообщения о введении чужеродных генов даже в злаки. Возможно, что в ближайшие годы таким путем удастся придать хозяйственно полезным растениям устойчивость к некоторым заболеваниям, к гербицидам (подавляющим сорняки) и несколько изменить состав аминокислот в растительных белках за счет тех белков, в которых содержится больше лизина, метионина и других нужных животным аминокислот.

Выше уже говорилось о практических результатах, которые дают методы клеточной инженерии. К тому, что они позволяют вводить гены целому растению, добавим еще некоторые важные их возможности. Прежде всего культуру растительных клеток можно использовать как источник многих ценных веществ: нужных для медицины алкалоидов, гликозидов, стероидов, заменителей сахара - неуглеводных соединений с очень сладким вкусом, а также фитогормонов. Для увеличения выхода этих веществ, как и в работе с целыми растениями, используют искусственно вызванные мутации и отбор наиболее активных клонов. Так, в Японии получены мутантные клоны клеток женьшеня, более интенсивно продуцирующие биологически активные стимуляторы. У нас в стране получена мутантная линия клеток раувольфии, которые синтезируют в 10 раз больше, чем обычно, аймалина - средства против аритмии сердца. Такие клетки-продуценты выращивают в больших проточных ферментерах или заключая клетки (иммобилизуя) в гелеобразный субстрат из полимеров, что еще экономичнее.

Культуру растительных клеток выгодно использовать для быстрого размножения медленно растущих растений - женьшеня (в нашей стране), масличной пальмы, а также персиков, малины и других. При обычном разведении куст малины может дать не более 50 отростков в год, в то время как, используя культуру клеток, можно получить более 50 тыс. растений. Применительно к масличной пальме метод быстрого разведения лучших ее экземпляров оказывается на 10% дороже, но зато продуктивность таких пальм на 20-30% выше, что с избытком окупает затраты. При таком разведении иногда возникают растения более продуктивные, чем исходный сорт. Так были получены новые ценные сорта картофеля, грейпфрута и других растений.

Культуру клеток используют также для более быстрого и эффективного отбора организмов с важными свойствами, как, например, устойчивость к гербицидам, солено- и кислоустойчивость, способность выдерживать высокие или низкие температуры либо расти при определенной длине светового дня. Если в культуру растительных клеток добавить токсичные аналоги аминокислот, то будут размножаться только те мутанты, у которых собственный синтез этих аминокислот выше обычного. Так удалось получить клетки, а из них растения моркови, которые синтезируют в 20 раз больше метионина, в 30 - триптофана, в 5 раз - лизина. Проведение такой селекции на целых растениях потребовало бы огромной работы в течение многих десятков лет.

Растительные клетки в виде протопластов можно сливать друг с другом так же, как это делают с животными клетками. Так можно получать гибридные клетки между видами, которые обычным путем не скрещиваются. Но в отличие от гибридов животных клеток из таких гибридных клеток можно получать целые гибридные растения, которые во многих случаях дальше размножаются обычным путем. Именно таким образом были получены гибриды табака и томатов, томатов и картофеля (этот гибрид назвали "помат") и многие другие. В принципе это открывает новые возможности для гибридизации, но надо признать, что пока таким путем ничего особо ценного для практики не получено.

Может быть, получение безвирусных растений - наиболее важное из того, что дало культивирование клеток. Вирусы поражают многие виды хозяйственно ценных растений и резко снижают их урожай. Особенно велики вызываемые вирусами потери урожая картофеля. Для снижения этих потерь есть несколько методов. В одних случаях достаточно точной и быстрой диагностики с помощью клонированной вирусной ДНК или, как это разработано в нашей стране, с помощью противовирусных антител. Таким путем можно отобрать здоровые растения и использовать для разведения только их. Но часто здоровых растений бывает очень мало или нет совсем. Тогда новые растения можно выращивать из быстро делящихся клеток самого кончика стебля, ибо размножение вирусов отстает от деления таких клеток. Таким же путем можно освободиться от вирусов, если получать растения из культуры клеток, которые перед тем быстро размножались. Такая рассада, конечно, намного дороже, но урожайность, например, безвирусного картофеля оказывается в 2 раза и более выше, и это вполне окупает расходы.

В заключение этого раздела мы рассмотрим проблему фиксации азота. Для иллюстрации ее значения можно привести такие цифры: около 2% всей энергии, потребляемой человечеством, или 1/3 энергии, используемой для получения продуктов сельского хозяйства, уходит на производство азотных удобрений. И еще - 1/4 средств, которые использует вся наука о растениях, уходит на изучение проблемы фиксации азота.

Растения, как и животные, не усваивают свободного азота, а должны получать его извне в связанном виде, обычно в виде солей аммония (NH4 ). Связывание азота происходит в некоторых, в общем, немногих видах микроорганизмов - азотфиксирующих бактериях, а также азотфиксирующих цианобактериях (синезеленых водорослях). Из таких бактерий наибольшее значение имеют клубеньковые бактерии ризобии, которые вступают в симбиоз с бобовыми растениями, образуя у них на корнях клубеньки. В них и происходит фиксация азота - восстановление атмосферного азота до аммония за счет энергии окислительных реакций. Менее эффективны почвенные бактерии, не образующие клубеньков, - азоспириллы, которые живут вблизи корней трав и злаков.

Собственный источник фиксированного азота имеется у риса - в рисовых чеках азот связывают особые синезеленые водоросли, которые находятся в симбиозе с водяным папоротником азоллой. Когда стебли и листья азоллы, получившие связанный азот от синезеленых водорослей, отмирают, его усваивает корневая система риса. Азоллу вместе с синезелеными водорослями в тропических странах иногда добывают из водоемов и используют как азотное удобрение.

Сиcтема фиксации азота состоит из сложного комплекса многих ферментов, главный из которых - нитрогеназа. Она, собственно, и восстанавливает азот до аммония, используя для этого энергию окисления ацетилена в этилен. Образование этих ферментов контролируется 17 генами, которые образуют систему так называемых Ниф-генов. Гены эти сейчас изучены и клонированы. Они находятся на особой плазмиде, но весь процесс фиксации азота зависит также и от других генов, контролирующих, в частности, поступление энергии. Методами генетической инженерии гены фиксации азота удалось перенести в другую бактерию - кишечную палочку и наблюдать фиксацию азота в этом организме.

Задачи биотехнологии по этой проблеме можно разделить на три. Первая из них - попытаться так изменить свойства азотфиксирующих бактерий, чтобы они могли жить не только на бобовых, но и на других хозяйственно полезных растениях, например злаках. Другой подход к этой же задаче - увеличить эффективность азоспирилл, снабжающих связанным азотом злаки. Вторая задача биотехнологии состоит в том, чтобы изменить сами растения - сделать их способными вступать в симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Для этого, очевидно, необходимо найти те гены бобовых растений, которые за такой симбиоз ответственны, и попытаться ввести их в другие растения, например пшеницу. И наконец, третьей, самой фантастичной, но и самой смелой задачей было бы введение генов азотфиксации в геном растений, т. е. превратить их в организмы, независимые от внешних источников азота. Пути введения генов в клетки растений мы уже знаем, но ввести такой большой комплекс, как гены азотфиксации, и, главное, добиться их экспрессии - задача очень трудная.

Решение этой последней задачи кажется пока мало реальным, ведь не случайно до сих пор в природе такого переноса генов из бактерий в растения не произошло и своего механизма фиксации азота у них не возникло, хотя выгодность этого для растения кажется очевидной. Вероятно, сам процесс фиксации азота настолько отличается от других процессов обмена, что его введение потребовало бы перестройки всей системы биохимических процессов в растении. Однако исследования такого переноса ведутся более чем в 60 лабораториях мира, и это обещает то или иное (полное или частичное) решение проблемы. Надо, однако, учесть, что и в случае создания системы самообеспечения связанным азотом вряд ли она сможет удовлетворить потребности интенсивно растущих растений, используемых в сельском хозяйстве. Вспомним, что у риса, имеющего свою систему обеспечения азотом через синезеленые водоросли, за ее счет обеспечивается только 1/6 урожая (10 ц/га), если рис возделывается по наиболее интенсивной технологии, дающей 60 ц/га. Все остальное количество связанного азота (порядка 100 кг азота на 1 га) приходится вносить в виде азотных удобрений.

Источник: Нейфах А.А. Клеточные и генетические основы биотехнологии. - М.: Знание (серия "Биология"), 1987.




 
 

Куда пойти учиться



 

Виртуальные консультации

На нашем форуме вы можете задать вопросы о проблемах своего здоровья, получить поддержку и бесплатную профессиональную рекомендацию специалиста, найти новых знакомых и поговорить на волнующие вас темы. Это позволит вам сделать собственный выбор на основании полученных фактов.

Медицинский форум КОМПАС ЗДОРОВЬЯ

Обратите внимание! Диагностика и лечение виртуально не проводятся! Обсуждаются только возможные пути сохранения вашего здоровья.

Подробнее см. Правила форума  

Последние сообщения



Реальные консультации


Реальный консультативный прием ограничен.

Ранее обращавшиеся пациенты могут найти меня по известным им реквизитам.

Заметки на полях


навязывание услуг компании Билайн, воровство компании Билайн

Нажми на картинку -
узнай подробности!

Новости сайта

Ссылки на внешние страницы

20.05.12

Уважаемые пользователи!

Просьба сообщать о неработающих ссылках на внешние страницы, включая ссылки, не выводящие прямо на нужный материал, запрашивающие оплату, требующие личные данные и т.д. Для оперативности вы можете сделать это через форму отзыва, размещенную на каждой странице.
Ссылки будут заменены на рабочие или удалены.

Тема от 05.09.08 актуальна!

Остался неоцифрованным 3-й том МКБ. Желающие оказать помощь могут заявить об этом на нашем форуме

05.09.08
В настоящее время на сайте готовится полная HTML-версия МКБ-10 - Международной классификации болезней, 10-я редакция.

Желающие принять участие могут заявить об этом на нашем форуме

25.04.08
Уведомления об изменениях на сайте можно получить через раздел форума "Компас здоровья" - Библиотека сайта "Островок здоровья"

Островок здоровья

 
----
Чтобы сообщить об ошибке на данной странице, выделите текст мышью и нажмите Ctrl+Enter.
Выделенный текст будет отправлен редактору сайта.
----
 
Информация, представленная на данном сайте, предназначена исключительно для образовательных и научных целей,
не должна использоваться для самостоятельной диагностики и лечения, и не может служить заменой очной консультации врача.
Администрация сайта не несёт ответственности за результаты, полученные в ходе самолечения с использованием справочного материала сайта
Перепечатка материалов сайта разрешается при условии размещения активной ссылки на оригинальный материал.
© 2008 blizzard. Все права защищены и охраняются законом.



 
----