Ðåôåðàòû

Ñîâðåìåííàÿ ãåíåòèêà

Neiman: dac? s-ar ini?ia o competi?ie - cine va putea da mai mult?

produc?ie, de exemplu de cea mai valoroas? protein?, comunitatea celulelor

microbiene mici la infinit ?i-ar dovedi cu siguran?? superioritatea fa?? de

un taur.

Aducem calculul lui B. Neiman: taurul cu o greutate vie de 300 kg dup? o

zi de îngr??are intens? spore?te în greutate cu 1,1-1,2 kg, inclusiv cu 20

grame de protein?. 300 kg de celule de drojdii timp de o zi dau un spor de

25-30 mii kg de mas? biologic?, care con?ine II-13 mii kg ^ protein?

digerabil?.

A?a dar, drojdiile acumuleaz? proteina de 100 mii de ori mai repede decât

organismul unui taur! Iar bacteriile acumuleaz? masa biologic? ?i proteina

înc? mai repede decât drojdiile. Dup? componen?a lor chimic? ?i structural?

aminoacizii bacteriilor, drojdiilor, plantelor superioare ?i animalelor

sunt absolut identice. De aceea insuficien?a de lizin?, bun?oar? din

furajul animalelor sau din hrana omului, poate fi compensat? cu lizina

bacteriilor sau drojdiilor. ,

?tiin?a contemporan? a pus în fa?a industriei de producere a celulelor

vii, a microbiologiei industriale, care în strâns? alian?? cu industria

biochimic? ?i ingineria genic? formeaz? esen?a noii orient?ri, numit?

biotehnologie - sarcini complicate, de mare r?spundere.

S? examin?m acum în mod separat unele aspecte ale biotehnologiei.

11.2 Ingineria genic? în natur?: transforma?ia, transduc?ia ?i conjugarea

la bacterii

Pentru a în?elege de ce microbii au ocupat un loc atât de important în

ingineria genic?, trebuie s? ne familiariz?m m?car în mod sumar cu metodele

uimitoare ale schimbului de informa?ie genetic?, ce le ofer? natura.

Celula bacterian? se înmul?e?te prin diviziune simpl?, dup? care dintr-o

celul? se formeaz? dou?, ?i fiecare din ele con?ine câte un analog propriu

al nucleului - nucleoidul cu ADN. De aceea celula matern?, înainte de a se

diviza, trebuie s? aib? dou? genome absolut identice, cu alte cuvinte, dou?

molecule de ADN pentru a transmite una din ele celulei-fiice, iar pe

cealalt? pentru a o p?stra pentru ea. Înainte de diviziune celula matern?

începe s? sintetizeze o copie exact? a ADN-ului s?u. Deoarece procesul

înmul?irii se produce f?r? participarea organismului masculin, celula-fiic?

poate mo?teni numai genele mamei - supersolitare. Ambele celule noi vor

avea garnitura de gene absolut identice.

Va fi bine dac? a?a va continua din genera?ie în genera?ie? Din cauza

lipsei unor combina?ii ereditare noi selec?ia natural? ar fi r?mas

«?omer?», ?i evolu?ia n-ar fi avut nici o ?ans? de reu?it?.

Pentru a înfrunta aceste piedici, natura a inventat multe metode, uneori

uimitor de simple, alteori cu adev?rat fantastice.

În primul rând, trebuie s? ne oprim asupra muta?iilor, adic? a

modific?rilor în gene, mo?tenite de celulele-fiice. Despre ele am mai

pomenit. Dar probabilitatea muta?iilor este foarte mic?. Afar? de aceasta,

majoritatea lor covâr?itoare poate provoca apari?ia unor caractere ?i

însu?iri inutile sau d?un?toare, descenden?a purt?toare de aceste muta?ii

va fi rebutat? pe parcursul selec?iei naturale. Tocmai aici va apare o alt?

descoperire - recombinarea - un mijloc de schimb de informa?ie genetic? în

lumea fiin?elor invizibile.

Ca exemplu al acestui fapt serve?te capacitatea uimitoare a bacteriilor

de a absorbi din mediul ambiant gene str?ine ?i de a degaja gene proprii.

Acest fenomen se nume?te transformare. Despre el am men?ionat în leg?tur?

cu studierea naturii factorului care îl provoac?.

Transformarea este larg r?spândit? printre procario?i în condi?ii

naturale. Ea se produce ?i în celulele animalelor.

Cum se produce ea în cazul transform?rii schimbului de material genetic?

În ciclul de dezvoltare a bacteriilor apare periodic o stare specific?,

când peretele celulei devine penetrabil pentru ADN. Celula care se afl? în

aceast? stare se nume?te celul? competent?, ea poate absorbi din mediul

ambiant o mare cantitate de ADN str?in. În acest scop la început ea secret?

o protein? special?, care se fixeaz? de acest ADN, dup? care ADN-ul str?in

este absorbit de celul? asemeni unei frânghii, care este tras? de un cap?t

al ei.

Ce se întâmpl? cu ADN-ul absorbit? Aproape jum?tate din el se scindeaz?,

iar partea r?mas? este utilizat? ca surs? pentru noua informa?ie genetic?.

La început sistemele fermentative ale celulei desfac spirala dubl? a ADN-

ului, apoi o descheie ca pe un fermoar ?i taie în fragmente filamentele de

transmisie ob?inute. Dup? aceasta pe fiecare fragment care con?ine o gen?

«str?in?» se construie?te ca pe o matri?? a doua caten? ?i sectorul

spiralei duble construit astfel se încorporeaz? în ADN-ul propriu al

celulei (fig. 24).

La bacterii, spre deosebire de eucario?i, schimbul de blocurile gata de

ADN este posibil nu numai între organismele de aceea?i specie, dar ?i între

cele de diferite specii, genuri ?i chiar familii, ceea ce conduce la

modific?ri în salturi a propriet??ilor ereditare.

Cercetarea multilateral? a procesului natural de transformare la bacterii

a deschis calea spre dirijarea eredit??ii microorganismelor, spre ingineria

genetic? ?i biotehnologia modern?.

Transformarea determin? schimbul direct, nemijlocit de blocuri de ADN

între bacterii. Dar, dup? cum s-a constatat, natura mai are alte metode de

transmitere a genelor de la o bacterie la alta.

Deseori transportori de gene aparte sau de grupe de gene sunt virusurile

bacteriilor - bacteriofagii. Nu fagii agresivi (virulen?i) care, p?trunzând

în celul? ?i înmul?indu-se rapid, o devoreaz?, o distrug, o dizolv? ?i,

dup? ce ies din ea, se n?pustesc asupra celorlalte celule. Ace?tia sunt

fagi pa?nici, a?a-zi?ii fagi modera?i.

Dup? ce au p?trunse în celul?, ADN-ul ?i ARN-ul lor se insereaz? în

cromozomul bacteriei-gazde ?i se transform? în profag. Fagul inserat în

genomul bacteriei (sau care i s-a aliniat) se înmul?e?te împreun? cu el, se

transmite celulelor-fiice ?i se r?spânde?te în felul acesta în popula?ie.

El nu-?i pierde îns? «esen?a sa de lup». Dac? aceste celule nimeresc în

condi?ii nefavorabile, fagul î?i leap?d? «blana de oaie» ?i distruge celula

ce l-a ad?postit. Separându-se de genomul celulei, fagul ia cu dânsul o

parte din genele acestuia. Fagul moderat, molipsind o alt? celul? ?i

inserându-se în ADN-ul ei, aduce aici atât genele sale, cât ?i pe cele

«furate» de la fosta gazd?, modificând ereditatea celulei noi. Acest proces

se nume?te transduc?ie (fig. 25).

Cunoscutul geneticiian S. Alihanean a men?ionat c? genele donorului

transdus (adic? transportate de fag) joac? rolul de «pasageri», iar fagul -

de «birjar».

Lipsa la bacterii a înmul?irii sexuale, caracteristice pentru eucario?i,

p?rea c? trebuie s? complice recombinarea genelor ?i a genomilor, prin

urmare ?i evolu?ia lor. Dar descoperirea la bacterii a factorilor

acromozomici - a plazmidelor, a introdus în aceste no?iuni rectific?ri

serioase.

Savan?ii au constatat c? plazmidele sunt independente de ADN-ul celulei

?i se pot înmul?i independent, pot produce propriile copii. Plazmidele

poart? gene care atribuie bacteriilor unul sau câteva caractere, de exemplu

rezisten?? fa?? de preparatele medicamentoase, capacitatea de a sintetiza

substan?e active biologice ?. a. Plazmida poate, ca ?i fagul, s? se

insereze în cromozomul bacteriei ?i s? se separe de el. Asemenea fagului ea

las? uneori în cromozom una sau câteva gene proprii ?i la plecare duce cu

ea gene ale gazdei. În aceste cazuri propriet??ile ereditare atât ale

celulei, cât ?i ale plazmidei se pot modifica în mod sim?itor.

S-a stabilit c? un tip aparte de plazmide, numite plazmide F (prima

liter? a cuvântului englez «fertilitate»), reconstituie la bacterii un

proces asem?n?tor celui sexual.

Bacteria purt?toare a plazmidei F ob?ine însu?iri ale donatorului - ale

organismului masculin. Pe suprafa?a acestei celule se formeaz? vilozit??i

fine. Când se întâlne?te cu bacteria feminin? care nu con?ine plazmida F

(ea e numit? recipient), bacteria masculin? «se c?s?tore?te» cu ea, se

conjug?, unindu-se cu ajutorul vilozit??ilor tubulare. Pe aceast? punte

prin canalul de vilozit??i acoperit se transmite plazmida F ?i celelalte

plazmide din celula donatorului în celula feminin?.

Dac? plazmida F s-a încorporat în componen?a cromozomului celulei,

lucr?rile se vor desf??ura altfel. Plazmida provoac? ruptura uneia din

cele dou? catene de ADN ale donatorului, dup? care cap?tul liber al

filamentului cu o singur? caten? se transmite prin canalul vilozit??ii

bacteriei feminine, unde pe acest filament se sintetizeaz? îndat? catena

lui complimentar?. Plazmida F parc? împinge din spate segmentul ADN al

donatorului spre celula feminin?. Astfel cu ajutorul plazmidei F cromozomul

donatorului sau o parte a lui se transmite celulei recipientului. Ultima

cap?t? caractere noi, care nu-i sunt proprii dar care sunt caracteristice

pentru donator. Astfel se produce amestecul caracterelor ereditare a dou?

celeule diferite. Nu este oare acesta un adev?rat proces sexual? (fig. 26)

Plazmida F, dup? ce a p?truns în celul?, produce curând descenden?a sa.

Celula feminin?, devenind st?pân? a acestei plazmide, ce transform?

imediat în donator ?i, venind în contact cu alte celule feminine, le

transmite factorul F ?i celorlalte plazmide, de exemplu plazmida R.

Plazmida R (R-prima liter? a cuvântului «rezistent») transmite bacteriilor

imunitatea pentru antibiotice ?i pentru preparate medicamentoase.

R?spândirea fulger?toare a acestor plazmide prezint? un mare pericol, c?ci

chiar cele mai eficiente mijloace de combatere a bolii infec?ioase devin

inactive. În asemenea cazuri trebuie schimbat de urgen?? medicamentul.

Interesant este c? în condi?ii naturale plazmidele R se întâlnesc mai des

la bacteriile patogene, contra c?rora medicii duc o lupt? permanent?. Prin

urmare, utilizarea larg? a antibioticelor contribuie la selectarea unor

bacterii, ce con?in plazmida R, rezistente la aceste antibiiotice.

Bacteriile manifest? caractere de mare valoare în lupta pentru existen??

în condi?ii extremale. Oare nu este aceasta o adev?rat? inginerie genic?,

care are loc în natur??

Toate aceste unelte ?i subterfugii fine, elaborate de lumea microbilor pe

parcursul luptei crâncene pentru existen??, trebuie însu?ite pentru a-i

sili pe muncitorii microlumii s? ac?ioneze spre binele omenirii.

11.3 Ameliorarea microorganismelor

Separarea din natur? a unor noi tulpini de microorganisme prezint? doar

prima etap? a muncii de selec?ionare. Sarcina ulterioar? const? în

ridicarea gradului de calificare a acestor microbi. Savan?ii caut? s?

în?eleag? nu numai tehnologia proceselor de sintez? ?i de metabolism din

celulele microbiene, dar ?i s? descopere posibilit??ile de ameliorare, de

perfec?ionare, de modificare a eredit??ii cu ajutorul acestei tehnologii.

În prezent industria microbiologic? utilizeaz? mii de tulpini ale multor

sute de specii. Ele au fost izolate de sursele naturale ?i ameliorate prin

intermediul mutagenezei induse ?i selec?iei ulterioare a caracterelor

utile. Pentru antrenarea poten?ialului genetic al unui num?r tot mai mare

de microorganisme, la construirea tulpinilor industriale sunt utilizate

atât microorganismele «de model», cât ?i tulpinile folosite în industria

microbiologic?.

În calitate de model de baz? se utilizeaz? cunoscutul bacil coli,

mul?umit? c?ruia biologia molecular? modern? a atins ni?te culmi

nemaiv?zute; de el ?in ?i primele succese importante în domeniul

biotehnologiei ?i ingineriei genice.

Exist? tulpini de bacili coli produc?tori de hormoni (somatostatin?,

somatotropin?, insulin? ?. a.), de aminoacizi (treonin?, prolin?,

homoserin? ?. a.), de diferi?i interferoni ?. a.

Printre tulpinile utilizate în industria microbiologic? men?ion?m în

primul rând drojdiile, bacilii, ciupercile inferioare, actinomicetele ?. a.

Ele toate produc substan?e variate de mare valoare biologic?. Men?ion?m c?

în prezent 70% din antibiotice se produc numai cu ajutorul actinomicetelor.

Este cea mai mare subramur? a industriei microbiologice mondiale, care

aduce un venit anual de 8-9 miliarde de dolari.

Bacteriile de genul pseudomonas con?in plazmide purt?toare ale genelor

degrad?rii biologice a compu?ilor organici, inclusiv a acelora care nu se

întâlnesc în natur? (de exemplu, pesticidele), fapt ce deschide mari

perspective în utilizarea lor pentru protec?ia mediului ambiant.

Selectarea tulpinilor de microorganisme cu înalt? productivitate a

ob?inut în unele decenii mari succese pe baza realiz?rilor multor ?tiin?e.

Geneticiienii ?i selec?ionatorii, utilizând pentru provocarea muta?iilor

mutagenele chimice ?i radia?iile ionizate, au ob?inut noi tulpini care

întrec ca productivitate de 100 ?i chiar de mai multe ori formele ini?iale.

Dac? penicilina a devenit în prezent accesibil? fiec?ruia, aceasta se

explic?, în primul rând, prin faptul c? selec?ionatorii au crescut o

cultur? de microorganisme cu o capacitate de 20-25 mii de unit??i la un

mililitru cub de mediu, în loc de 100 de unit??i, ob?inute la tulpinile

ini?iale. Conform opiniei lui S. Alihanean, aceasta înseamn? c? în loc de

200 de fabrici de penicilin? este destul s? avem doar una singur?.

Prin metoda conjug?rii la pseudomonade a fost realizat? cu succes

transferarea genelor ?i construit? o tulpin? ce are drept surs? de carbon

unul din cei doi componen?i ai «substan?ei de oranj» - un defoliant toxic

pentru oameni, folosit pe larg de SUA în r?zboiul din Vietnam. Aducem înc?

un exemplu despre geneticiienii ?i selec?ionatorii care în colaborare cu

inginerii genici «domesticesc» microbii ?i creaz? pentru industrie noi

tulpini cu caractere proiectate. Este vorba despre crearea de c?tre

savan?ii Institutului de cercet?ri ?tiin?ifice în domeniul geneticiii ?i

selec?iei microorganismelor industriale (IUC?) a unei tulpini noi de

bacterii produc?toare de treonin?.

Treonina, la fel ca ?i lizina, este necesar? pentru îmbog??irea

nutre?urilor ?i produselor alimentare. Aminoacizii lizina, metionina,

treonina ?i izoleucina, în ordinea în care sunt prezentate aici, sunt

sintetizate de bacterii din acid asparagic. Aici se respect? ordinea

urm?toare: ca s? oprim sinteza, de exemplu, la etapa de lizin?, trebuie s?

închidem drumul pentru transform?rile continue ale acidului asparagic în

metionin?, treonin? ?i izoleucin?. ?i atunci în bacterie începe

suprasinteza, adic? producerea accelerat? a lizinei. Iar dac? este nevoie

de reducerea intens? a treoninei, trebuie blocat? transformarea ei continu?

în izoleucin?.

Speciali?tii IUC? în domeniul geneticiii microorganismelor, în frunte cu

directorul s?u V. Debabov, au ales pentru efectuarea cercet?rilor lor

colibacilul de care ?in multe din succesele ob?inute în ingineria genetic?.

Sectorul ADN al acestei bacterii, responsabil pentru sinteza treoninei

(acest sector poart? numele de operon), este compus din trei gene ?i din

regiunea reglatoare care le dirijeaz?. Acest operon codific? formarea a

patru fermen?i care transform? succesiv acidul asparagic în treonin?, iar

apoi în izoleucin?.

Cu pre?ul unor mari eforturi savan?ii au reu?it s? provoace muta?ii ale

genelor operonului, datorit? c?rora celulele mutante au încetat a sintetiza

izoleucina, acumulând astfel mai mult? treonin?.

Dar ?i aceste celule sintetizau foarte pu?in? treonin?. Atunci în ele a

fost inserat cu ajutorul fagului o gen? special?, al c?rei produs activiza,

la rândul s?u, munca genelor responsabile pentru sintetizarea treoninei.

Dup? efectuarea acestei opera?ii celulele colibacilului au început s?

elaboreze câte 2-3 grame de treonin? la un litru de lichid cultural.

Începutul promitea multe, cu toate c? pentru a fi bun? pentru produc?ia

industrial? tulpina trebuia s? produc? cel pu?in de 10--15 ori mai mult

aminoacid de acest fel.

Ce se putea face? ?i aici speciali?tii ?i-au concentrat aten?ia asupra

uneia din particularit??ile foarte importante ale plazmidelor, care,

p?trunzând în bacterie, începe s? se reproduc? repede ?i formeaz?, de

obicei, 15-20 de copii. Dac? îns? în mediul cultural se introduce ?i

cloramfenicolul, în celul? se opre?te sintetizarea proteinei ?i spore?te

brusc num?rul de copii ale plazmidei. Uneori ele ating cifra de 3000.

Tocmai acest fapt le-a sugerat savan?ilor cum s? procedeze în acest caz.

Ini?ial, cu ajutorul fermen?ilor respectivi, ei au t?iat din cromozomul

tulpinii de bacterie ob?inute înainte un fragment de ADN, care con?inea un

operon de tulpin? cu toate cele trei gene ale sale ?i cu sectorul de

reglare. Dup? aceasta, în laboratorul de inginerie genic?, operonul a fost

inserat într-o plazmid?, iar ea - într-o alt? bacterie de aceea?i tulpin?.

Plazmida hibrid? s-a înmul?it acolo ?i a intensificat sinteza treoninei. În

48 de ore de fermentare aceast? nou? tulpin? sintetiza aproape 20 grame de

treonin? la un litru de lichid cultural, iar când au fost ameliorate

condi?iile de cultivare a tulpinii, în 30 de ore au început s? se acumuleze

aproape 30 de grame de treonin?.

Astfel a fost creat? pentru întâia oar? în lume o tulpin? industrial? de

microorganisme, care sintetizeaz? treonina, unul din aminoacizii cei mai

importan?i pentru cre?terea animalelor. Pentru întâia oar? în lume aceast?

tulpin? a fost ob?inut? printr-o metod? de construire a ingineriei genice

numai în trei ani; separarea unor noi tulpini prin metodele tradi?ionale de

selectare dura zeci de ani.

11.4 Industria ADN ?i biotehnologia

Pe parcursul ultimilor ani ia na?tere o nou? ramur?, absolut nou?, de

produc?ie material? - biotehnologia, care utilizeaz? procesele ?i sistemele

biologice pentru a ob?ine cele mai diverse produse.

Oamenii au însu?it unele metode biotehnologice înc? din timpurile

str?vechi. ?i procesele de fermenta?ie care permit ob?inerea produselor

acidolactice, pâinii, o?etului ?. a. fac parte din domeniul biotehnologiei.

În ultimele dou?-trei decenii, datorit? schimb?rilor radicale ce s-au

produs în ?tiin?a biologic?, s-a ridicat la un nivel calitativ nou ?i

biotehnologia. Datorit? acestor realiz?ri omul poate azi nu numai s?

foloseasc? microorganismele «gata», dar ?i s? modifice programul genetic al

celulelor lor, s? le imprime caractere cu totul noi: tocmai în aceasta din

urm? const? sarcina ingineriei genetice moderne.

Datorit? dezvolt?rii biologiei moleculare ?i ingineriei genice,

biotehnologia a devenit o metod? universal? de ob?inere în orice propor?ii

a celor mai diverse substan?e organice, permi?ându-ne s? renun??m la

procesele tehnologiei chimice care-s voluminoase ?i deseori pu?in eficace.

Savan?ii ?i-au concentrat aten?ia în primul rând asupra problemelor de

sintez? a hormonilor, care, al?turi de vitamine, servesc drept reglori de

mare importan?? ai metabolizmului ?i ai multor procese fiziologice din

organismul omului ?i animalelor.

Moleculele hormonilor au dimensiuni mici. Structura multor dintre ele a

fost studiat? detaliat, dar sinteza lor chimic? s-a dovedit a fi prea

dificil? ?i scump?. Deaceea savan?ii au ales în acest scop o alt? cale:

sintetizarea prin metod? chimic? nu a proteinei-hormon, ci a unei gene

incomparabil mai simple care codific? sintetizarea hormonului necesar. Dar

pentru aceasta gena trebuie inserat? în componen?a moleculei recombinante

de ADN ?i, sub comanda ei, s? se organizeze în bacterie sinteza biologic? a

unui hormon uman de valoare complect?.

Pentru prima dat? a fost creat? prin metoda aceasta tulpina bacteriilor -

produc?toare de somatostatin?. Acest hormon este produs de lobul anterior

al hipofizei ?i regleaz? secre?ia unei serii de al?i hormoni, inclusiv a

hormonului cre?terii, insulinei ?i glicogenului. Somatostatina utilizat? în

practica medical? se ob?ine din hipofiza vitelor cornute mari. Îns? din

punct de vedere chimic ea se deosebe?te întrucâtva de hormonul amului ?i de

aceea nu d? întotdeauna rezultatul dorit.

Molecula somatostatinei este compus? din 14 aminoacizi. Un grup de

experimentatori de la Universitatea din California (SUA), în frunte cu G.

Boyer, au sintetizat o gen? în care a fost codificat? formarea

somatostatinei. Apoi cu ajutorul plazmidei savan?ii au inserat aceast?

gen? într-un colibacil. Într-un timp scurt bacteria a sintetizat un volum

mic de lichid cultural ce con?inea o cantitate de hormoni care, de obicei,

se extrage din hipofiza a sute de mii de tauri.

Somatostatina a g?sit de acum o larg? aplicare la tratamentul bolilor

pancreasului (pancreatitelor ?i diabetului), precum ?i a acromegaliei -

cre?terea ne propor?ional? a p?r?ilor proeminente ale corpului. Aceasta a

fost o mare victorie a ingineriei genice. Astfel a devenit real?

posibilitatea de a se ob?ine gene artificiale pentru ceilal?i hormoni ?i de

a deschide perspective ademenitoare pentru producerea celor mai diferite

proteine, precum ?i a altor produse. Aceste produse pot fi ob?inute în

cantit??i nelimitate, ele vor fi ieftine ?i, ceea ce este ?i mai important,

ac?iunea lor nu se va deosebi de cea a hormonilor omului ?i a altor compu?i

biologici activi.

În lobul anterior al hipofizei omului ?i animalelor se sintetizeaz? în

afar? de somatostatin? un întreg buchet de hormoni de natur? proteic?,

printre care cel mai cunoscut este hormonul cre?terii sau somatotropina.

Dac? organismul în cre?tere duce lipsa lui, apare nanismul, iar dac? îl

con?ine în cantit??i prea mari, apare gigantismul. Despre participarea

acestui hormon la reglarea cre?terii s-a aflat înc? la începutul secolului

XX. În anul 1921 cu ajutorul extractului hipofizei au fost crescu?i ni?te

?obolani gigan?i.

Hormonul cre?terii se con?ine în hipofizele animalelor cornute mari ?i s-

ar putea extrage în cantit??i necesare. Dar s-a constatat c? somatotropina

este un hormon specific pentru fiecare specie: în organismul uman

somatotropina animalelor cornute mari nu este activ?. Omul are nevoie de

somatotropina omului. Numai organismul ?obolanilor reac?ioneaz? la

somatotropina «str?in?» ca la cea «proprie».

Un grup de savan?i sub conducerea academicianului A. A. Baev, bazându-se

pe experien?a ob?inerii somatotropinei prin metodele ingineriei genice, s-a

apucat de sintetizarea somatotropinei pe cale microbiologic?. Ei ?tiau c?

pentru a sili colibacilul s? produc? somatotropina în ADN-ul lui trebuie

inserat? o gen? care va dirija sintetizarea acestei proteine în hipofiza

omului. În principiu aceasta se poate realiza, deoarece codurile genetice

ale omului ?i bacteriei sunt similare; aparatul biosintetic al celulei

bacteriene, în?elat de aceast? asem?nare exterioar?, va produce proteina

de care n-are nevoie, la fel precum p?s?rile în?elate clocesc pui de cuc.

Scopul era urm?torul: din celulele hipofizei trebuia ob?inut? o gen?,

care ar fi dirijat sinteza somatotropinei. Celula care sintetizeaz? activ

proteina urma s? con?in? numaidecât o cantitate sporit? de ARNi, o copie a

genei preg?tit? parc? de îns??i celula care codific? succesiunea

aminoacid?. Acest proces biosintetic furtunos se produce în celulele

tumorale ale hipofizei; o p?rticic? de ?esut tumoral cu o greutate de mai

pu?in de un gram a servit drept material ini?ial pentru ob?inerea genei de

somatotropin?.

În urma unor numeroase ?i foarte fine opera?ii de separare a genei din

p?rticica de hipofiz? a r?mas o cantitate infim? de ARNi. A dispune de

solu?ia pur? de ARNi, înseamn? a avea o copie a genei, iar gena mai trebuia

preg?tit? în corespundere cu copia. În acest scop s-a folosit un ferment

special numit revertaz? (trancriptaz? invers?), care ia automat o copie a

ARNi.

ADN-ul ob?inut este compus din catene unice, în timp ce în gen? fiecare

caten? de ADN trebuie s? fie unit? cu catena ei complimentar?. Opera?ia de

sintetizare a acestei catene complimentare o efectueaz? automat cunoscutul

ferment ADN - polimeraza 1.

Astfel preparatul care con?ine gena de somatotropin? nimere?te în

eprubet?.

Sarcina urm?toare, care se afla în fa?a experimentatorilor, consta în

înmul?irea acestei gene pân? la ob?inerea unei cantit??i suficiente pentru

munca continu?. În acest scop era nevoie, în afar? de fermen?i, de înc? un

instrument universal ob?inut prin distrugerea înveli?ului celulelor

colibacilului ce con?ine plazmide libere. Dup? tratarea plazmidelor cu

fermentul restrictaza care scindeaz? molecula de ADN în sectoare strict

determinate, inelele plazmidei se desfac, transformându-se în catene

liniare. Restrictaza are capacitatea de a face ca la polii moleculei rupte

de ADN s? apar? sectoare «lipicioase», formate din dou? catene

complimentare deschise, îns? dac? ?i gena separat? va fi înzestrat? cu

asemenea poli «lipicio?i», plazmida, închizând inelul ei, va prinde cu

ajutorul lor ?i garnitura suplimentar? - gena somatotropinei. Anexarea

polilor «lipicio?i» de gena separat? este una dintre cele mai fine opera?ii

ale ingineriei genice. La început pe cale pur chimic? se sintetizeaz? un

mic fragment de ADN, care reproduce cu exactitate succesivitatea

nucleotidelor capabile s? fie scindate de restrictaz?, apoi cu ajutorul

fermentului ligaza acest fragment de ADN este suturat de ambii poli ai

genei. Urmeaz? tratarea produsului cu restrictaz? ?i gena cu polii

«lipicio?i» este gata. Dac? aceast? gen? este amestecat? cu plazmidele

fragmentate ?i acest amestec este tratat cu ligaz?, toate rupturile se vor

uni ?i în epruveta noastr? vom ob?ine nu o simpl? gen?, ci o gen? inserat?

într-o plazmid?.

Plazmida singur? nu este bun? pentru nimic. Dar dac? va nimeri din nou

într-o bacterie, ea va înmul?i ?i gena inserat? în ea. A?a c? gena de

somatotropin? se poate ob?ine în orice cantit??i necesare. Ce urma s? se

mai întâmple? Doar gena pe care am ob?inut-o deocamdat? «tace»: cu toate c?

se înmul?e?te împreun? cu bacteriile, ea nu func?ioneaz?, nu d? comanda de

sintetizare a proteinei pe care o codific?. C?ci pentru a începe «s?

vorbeasc?», gena trebuie înzestrat? cu elemente de semnalare, care induc

transcrierea (sinteza ARNi) ?i translarea (sinteza proteinei în ribosome).

În acest scop din plazmidele colibacilului a fost separat fragmentul ADN

- promotor, care semnaleaz? necesitatea de a începe citirea informa?iei ?i

de a se sutura cu gena somatotroninei. Aceast? gen? capabil? de munc? a

fost din nou inserat? în plazmide, iar plazmidele - încorporate în

bacterii, înzestrându-le cu capacitatea de a sintetiza hormonul cre?terii.

Aceast? parte finala a fost numit? expresia genei.

Astfel colibacilul reconstruit a devenit un produc?tor extrem de activ de

somatotropin? a omului. Dintr-un litru de cultur? de bacterii ast?zi se

separ? atâ?ia hormoni ai cre?terii, cât s-ar fi putut ob?ine din cincizeci

de hipofize.

În schema descris? au fost omise multe opera?ii esen?iale. Am încercat

doar s? reprezent?m aici într-o forma cât mai simpl? munca enorm? ?i extrem

de fin?, în care a fost antrenat un colectiv de savan?i pentru a separa

genele, a le modifica, amplifica (înmul?i) ?i a le schimba expresia în

celule str?ine cu scopul de a ob?ine anumite preparate medicamentoase.

Ne-am oprit inten?ionat mai detaliat asupra descrierii opera?iilor

principale de creare a somatotropinei prin metodele ingineriei genice

pentru a evita mai apoi repet?rile, deoarece aceste opera?ii sunt comune ?i

la sintetizarea altor compu?i activi d. p. d. v. biologic.

În realitate opera?iile ingineriei genice se reduc la crearea dintr-o

garnitur? de fragmente de ADN inactive a unei noi structuri genetice - a

unei molecule recombinate de ADN activ? d. p. d. v. fiziologic ?i care se

includea în activitatea vital? a celulei. Din aceste considerente în

deceniul al optulea în ??rile dezvoltate au ap?rut firme speciale, care au

elaborat procese industriale bazate pe tehnologia ADN-ilor recombinan?i.

Aceast? nou? ramur? a industriei biologice a fost numit? industria ADN-

ului.,

La început marile centre ?tiin?ifice ?i-au limitat activitatea la

ingineria genetic? a microorganismelor, mai târziu au început a se ocupa

paralel cu ingineria genetic? a plantelor, animalelor, precum ?i cu

ob?inerea de anticorpi monoclonali.

Ingineria genic? ?i ingineria celular?, care se dezvolt? paralel cu ea,

au l?rgit posibilit??ile biotehnologiei ?i industriei bazate pe procesele

biologice. A devenit posibil? folosirea celulelor microbiene, vegetale ?i

animale, precum ?i a moleculelor ?i genelor sintetice. Despre acestea se va

vorbi în capitolele urm?toare.

XII. INGINERIA GENETIC? LA PLANTE

12.1 Clonarea plantelor

Dac? vom înfige în p?mântul umed o crengu?? de salcie sau de plop, ea va

da r?d?cini, va cre?te ?i se va transforma într-un copac falnic. Dintr-un

«ochi» de tubercul de cartof se poate ob?ine o tuf? de cartofi. Poate oare

o singur? celul? pune începutul unei plante?

Înc? nu demult aceast? întrebare ?inea de domeniul fantasticii. Biologii,

îns?, au r?spuns afirmativ la ea, iar experimentatorii au înv??at s?

creasc? în medii nutritive celule aparte, care devin organisme

monocelulare: tr?iesc, se divizeaz?, sporindu-?i descenden?a, dar r?mân

celule aparte. P?rea c? experien?ele au menirea s? satisfac? un interes

teoretic. Savan?ii c?utau, bun?oar?, s? clarifice: ce deosebire exist?

între celulele ce formeaz? ?esuturile plantei întregi ?i celulele separate,

care tr?iesc «liber»?

O mare importan?? în acest sens a avut-o descoperirea c? celulele ce

tr?iesc liber se transform? în anumite condi?ii într-o plant? întreag?.

Aceast? descoperire a trasat c?i noi pentru cunoa?terea legit??ilor de

dezvoltare a organismului pluricelular. Chiar la prima etap? a cercet?rilor

au fost proiectate perspectivele aplic?rii în practic? a acestor

propriet??i ale celulelor.

Celula izolat? ?i cultivat? în eprubet? cu mediul nutritiv artificial,

dup? o serie de diviziuni, este capabil? s? pun? începutul tuturor

organelor vegetative ?i generatoare ale plantei. A devenit clar c? orice

celul? specializat? con?ine întreaga garnitur? de gene, care codific?

dezvoltarea ei în orice direc?ie ?i, în cele din urm?, transformarea ei în

plant?. O asemenea celul?, cu toate c? a ap?rut în urma diviziunii

celulelor somatice (asexuate), seam?n? ca func?ie cu ovulul fecundat sau

zigotul. Despre aceste celule se spune c? sunt totipotente, adic? au

capacitatea poten?ial? de a se dezvolta în orice direc?ie.

Fenomenul transform?rii celulei într-o plant? întreag? a fost numit

embriogenez? somatic? în cultura ?esutului. Ea poate fi observat? bine în

epruveta cu cultura ?esutului de morcov. Aici, în masa de celule omogene,

apare treptat o celul? ce începe s? se transforme într-o celul? zigotiform?

tipic? cu un nucleu m?rit. În continuare diviziunea ia contururile

germenelui din ovarul florii. Dar aici n-avem înc? nici floare, nici

plant?, iar germenele înconjurat de celulele callus nu se afl? în sol, ci

în eprubet?. Ea trece toate fazele principale ale dezvolt?rii sale: se pun

bazele viitoarei r?d?cini necesare pentru cre?terea tulpinii, mugurelui ?i

totodat? a primelor frunze, cu cotiledoane.

În aceast? etap? germenele poate fi separat din ?esutul callus ?i a?ezat.

într-un mediu f?r? hormoni, deoarece acest mic organism vegetal poate s?-i

sintetizeze singur. El începe repede s? formeze sistemul radicular, apoi

frunzele sectate tipice pentru morcov. Dac? aceast? plant? minuscular? o

vom s?di în sol, ea va pune începutul unei plante normale, ce formeaz? o

r?d?cin? ?i o rozet? de frunze. Mai târziu va apare, ca la orice plant?

bienal?, o tulpin? florifer? ?i va înflori.

Bineîn?eles, posibilitatea de a cre?te o plant? întreag? dintr-o celul?

ne fecundat? este o mare realizare ?tiin?ific?. Acest fenomen este utilizat

cu succes la crearea unor soiuri noi, la înmul?irea unui exemplar

interesant, de exemplu în floricultur?. Aici avem posibilitatea s? nu

a?tept?m pân? când vor apare ?i vor cre?te semin?ele, ci s? ob?inem

materialul celular necesar ?i s? cre?tem din el într-un termen scurt un

num?r mare de flori noi, identice cu exemplarul primar.

Aceast? metod? poart? numele de clonarea plantelor. Ea este folosit? pe

larg la cre?terea plantelor care nu con?in virusuri. Exist? sute de specii

de virusuri vegetale. Ele nu sunt periculoase pentru om, dar aduc daune

mari, pentru c? reduc productivitatea culturilor agricole. Virusurile atac?

mai alee plantele care se înmul?esc prin tuberculi, buta?i ?i bulbi. Numai

cartoful este afectat de aproape 20 de virusuri. Din cauza lor pierderile

ajung pân? la 20—30% din recolt?. În fiecare an se pierd milioane tone de

produc?ie. Ob?inerea cartofului avirotic spore?te recolta lui cu 80 de

procente.

A fost elaborat? o serie de metode de cultivare a culturilor celulare

vegetale ?i de cre?tere a unor plante întregi din celulele mugurilor

terminali sau ale vârfurilor r?d?cinilor — ale p?r?ilor lipsite de

virusuri. În felul acesta se face asanarea contra virusurilor materialului

s?ditor al cartofului, vi?ei-de-vie, c?p?unei, zmeurii, florilor ?. a.

Experien?ele au demonstrat c? de la vârful unui l?star se pot ob?ine repede

zeci de mii de germeni. Dintr-o singur? celul? a vârfului de l?star al

vi?ei-de-vie, bunzoar?, peste trei-patru s?pt?mâni se ob?in cinci germeni

care se apuc? ?i ei «de lucru» ?i dau noi germeni. De acum din primul model

de plant? nou? se ob?in în felul acesta mii de exemplare. Astfel cu

ajutorul epruvetei, f?r? folosirea câmpului ?i a pepinierei, se pun bazele

substituirii rapide a soiurilor perimate.

La fel de actual? este trecerea la plante avirotice în pomicultur?.

Intensificarea acestei ramuri este determinat? în mare m?sur? de s?direa pe

planta?iile industriale a unui material s?ditor asanat. C?ci ce prezint?

pue?ii avirotici? Ei nu se tem de îng?lbenirea ?i rugozitatea frunzelor, de

pete ?i de adâncituri, formate prin lovire, pe fructe, de îmb?trânire

rapid? ?. a. Recolta în livada avirotic? este cu aproape o treime mai mare

decât cea medie.

La «Codru», asocia?ie ?tiin?ific? de produc?ie din RM, s-a însu?it

deprinderea de a ob?ine acest material s?ditor pentru livezile ?i

planta?iile de arbu?ti fructiferi: în una dintre gospod?riile asocia?iei —

a fost dat în exploatare un mare complex de pepinier? pomicol?.

În Moldova au fost s?dite planta?ii mari de fragi, baza c?rora a fost

pus? în eprubet?. Este o priveli?te încânt?toare s? vezi cum din p?rticica

minuscul? a mugurelui terminal se na?te treptat o tuf? de frag, mic?orat?

de sute de ori. Acest proces, precum ne spune colaboratorul ?tiin?ific N.

Abramenco, seam?n? cu un film cu de-sene animate: la început punctul de

jum?tate de milimetru se transform? într-un ghemu?or de culoare deschis?,

apoi se formeaz? frunzuli?e verzi-deschise pe ni?te radicele foarte scurte.

Dup? acesta spa?iul epruvetei este cucerit de un buchet de muguri, strâns

uni?i între ei, ?i, în sfâr?it, apare o miniatur? exact? a cunoscutei

rozete de frunze de frag.

Este un material semincer de mare valoare. Doar virusurile, de regul?,

atac? toate celulele vii ale plantei, dar nu dovedesc s? acapareze ?esutul

tân?r care se divizeaz? activ în punctul de cre?tere al l?starului. Planta

care regenereaz? din el este absolut s?n?toas?. Recolta de la aceste

planta?ii de frag spore?te de dou?-trei ori. Tot prin aceast? metod? poate

fi m?rit? mult roada de zmeur, agri?, de culturi sâmburoase ?i semin?oase.

Prin clonare se poate ob?ine nu numai material s?ditor avirotic. Prin

aceast? metod? în principiu se pot transmite întregului clon multe alte

caractere utile, bun?oar? productivitate înalt? a unor exemplare aparte ale

plantei. A?a, în Nigeria, la Institutul de cercet?ri ?tiin?ifice în

domeniul cauciucului, au fost separa?i cloni de heveia, care dau 1600—3600

kg de cauciuc la hectar comparativ cu 300 kg cât se ob?inea de obicei.

J. ?epard, geneticiian american, a ob?inut din celule vegetale separate

ale frunzelor de cartof cloni rezisten?i la una dintre cele mai periculoase

boli ale cartofului — mana cartofului. Împreun? cu unul din colegii s?i,

?epard a crescut cloni ai cartofului rezistent contra fitoftorei timpurii.

În prezent ei încarc? «s? creeze» un clon de cartof rezistent la ambele

boli.

Înmul?irea pe cale vegetativ? a plantelor începe s? atrag? tot mai mult

aten?ia selec?ionatorilor, care, prin intermediul ingineriei celulare,

ob?in soiuri noi de plante agricole. În primul rând sunt aplicate mai pe

larg metodele de ob?inere ?i utilizare a plantelor cu o garnitura unic?

(haploid?) de cromozomi, care accelereaz? ?i u?ureaz? crearea liniilor

hibride nescindabile.

Plantele haploide sunt urma?ii nu a doi p?rin?i, ca de obicei, ci a unui

singur p?rinte. Ele se ob?in de cele mai multe ori din polen — din celula

sexual? masculin?. Asupra ei se ac?ioneaz? cu stimulatori speciali ?i ea

este silit? s? se dezvolte, de parc? ar fi o celul? embrionar? normal?,

ap?rut? în urma contopirii' celulei masculine cu cea feminin?. De obicei,

copiii mo?tenesc însu?irile lor de la tat?l ?i mama, de fiecare dat? în

propor?ii diferite. Haploizii fixeaz? trainic însu?irile valoroase ale

plantei genitoare. Faptul acesta reduce mult termenele de creare a

soiurilor noi. În prezent din celulele de polen s-a reu?it s? se creasc?

peste 50 specii de plante haploide, printre care: grâul, secara, orzul,

cartoful, tutunul ?. a. Schema general? de ob?inere a haploizilor este

prezentat? în fig. 27.

Metoda de ob?inere a plantelor haploide din celulele gametofitului

(polenului) masculin a fost numit? androgenez?.

Cu ajutorul cultiv?rii anterelor sau a polenului în medii nutritive

speciale, la început se formeaz? a?a-zi?ii embrioizi, iar apoi plantele

haploide.

Uneori în cultura anterelor nu se formeaz? embrioizi, ci un ?esut

nediferen?iat, numit calus, ?i, numai dup? aceasta, într-un mediu nutritiv

specific pentru diferen?iere, din celulele calusului apar plante întregi.

Ob?inerea plantelor din celule haploide aparte prezint? una dintre cele

mai mari realiz?ri ale ingineriei genice. Ea prezint? o importan?? colosal?

atât teoretic?, cât ?i practic?. Astfel plantele haploide, care con?in

numai o singur? garnitur? de cromozomi, manifest? în fenotip activitatea

tuturor genelor: atât a celor dominante, cât ?i a celor recisive. Dac?

anterele sau polenul din care urmeaz? s? fie ob?inute plantele haploide

sunt expuse radia?iei sau tratate cu mutageni chimici, toate muta?iile

induse în ei se vor manifesta în prima genera?ie a plantei. Aceasta are o

mare importan??, deoarece majoritatea muta?iilor, de regul?, sunt recisive

?i la plantele diploide se afl? în stare latent?. Iar la plantele haploide

toate muta?iile utile pot fi separate imediat, iar apoi, într-un timp

Ñòðàíèöû: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16


© 2010 Ñîáðàíèå ðåôåðàòîâ