1.рДНҚ-ны қолдану барысында қол жеткізген жетістіктер
2.Қажетті гормондарды өндіру
1. Қазіргі биотехнология адамның практикалық әрекетінің барлық жақтарына үлкен әсер етуде. Қазіргі кезде оның көмегімен ондаған аса бағалы биологиялық активті заттар — гормондар, ферменттер, витаминдер, антибиотиктер, кейбір дәрі-дәрмектер алынады. Биотехнология ауыл шаруашылығында орасан рөл атқарады. Биотехнологияның жетістіктері, ең алдымен, оның іргелі ғалымдармен тығыз байланысының арқасында пайда болды, мұның нәтижесінде биотехнологияның жаңа салалары мен әдістері — генетикалық, клеткалық және белоктық инженерия, энзимология инженериясы, жануарлар, өсімдіктер.
Соңғы жылдары биотехнологияның үлкен өріс алуы генетиканың жаңа жетістіктеріне байланысты. Нақты айтқанда, қазіргі биотехнологияның көптеген салалары генетикалық инженериямен, әсіресе ген инженериясымен тікелей немесе жанама байланысқан. «Биотехнология» үғымының өзі генетикалық инженерияның қалыптасуына байланысты пайда болды және алғашқы кезде бұл екі -ұғым синонимдер ретінде қаралды. Алайда, уақыт өткен сайын бұл ұғымдардың мазмұны әр түрлі толықтырылды, дегенмен генетикалық инженерия биотехнологияның құрама бөлігі болып қалды. Генетикалық инженерия-жаңа генетикалық қасиетттері бар организмдерді құрастыру тәсілдерін жетілдіретін ғылыми өрістңің саласы болса, ал биотехнология — өндірістің саласы. Генетикалық-инженериялық әдіс арқылы құрастырылған жаңа организм биотехнологиялық өндірісте қолданылуы мүмкін. Бұл генетикалық инженерия мен биотехнологияның арасындағы ортақ жаңасу нүктелерін сипаттайды, мұндай байланыстың аяғында жаңа сапалы нәтиже пайда болады. Көптеген ғылым жетістіктерін биотехнологиялық өндірісте пайдалану жаңа сапалы нәтижеге әкелмейді, сондықтан да олар биотехнологияның саласы бола алмайды.
Жаңа биотехнологияның дамуы ең алдымен ген инженериясына байланысты екендігін біз білеміз, бұдан басқа ол клетка инженериясының жетістіктеріне де тікелей байланысты. Енді біз жаңа биотехнологияның осы екі әдісінің генетикалық бағыттарына және олардың медицина мен мал шаруашылығындағы мәніне жеке тоқталамыз.
2. Ген инженериясы негізінде биотехнологиялық өнімдер алу
Қазіргі кезде тек ген инженериясы ғана адамға қажетті биологиялық активті заттарды химиялық таза күйде алуды қамтамасыз ете алады. Ген инженериясының қарқынды дамуы арқасында адамның бірқатар ауруларын (оның ішінде генетикалық ауруларды) емдеу және ауыл шаруашылық малдарының өнімділігін жоғарылату мүмкін болды. Енді, олардың мысалдарына тоқталайық.
Алғаш рет медицинада ген ннженериясының өнімі —инсулин қолданды. Инсулин ұйқы безінде түзіледі, оның арқасында қандағы глюкозаның артық мөлшері жануар текті крахмал гликогенге айналады. Ұйқы безінде инсулиннің түзілуі бұзылатын болса, адам диабет ауруына ұшырайды: глюкоза гликоген түрінде бөгеліп қалмағандықтан, қанда жүзім қантының мөлшері артады. Есептеу бойынша дүние жүзінде 60 млн. адам диабетпен ауырады, яғни ол жүрек және рак ауруларынан кейін адамның өліміне әкелетін үшінші ауру болып саналады. Диабетпен ауыратын адам тәулігіне гормонның орта есеппен 40 бірлігін қабылдауы қажет. Осы уақытқа дейін инсулиннің негізгі шығу көзі — етке өткізілген сиыр мен шошқаның ұйқы безі болатын. Сиырдың ұйқы безінің салмағы 200—500 г; кристалдық инсулиннің 100 г. алу үшін 800—1000 кг. ұйқы безі қажет. Бұдан басқа, ауру адамдардың біраз бөлігі, әсіресе балаларда бұл гормонға аллергия дамығандықтан, оларды жануар текті гормонмен емдеудің қиындығы бар. Екінші жағынан, инсулинге тәуелді адамдардың саны жылдан жылға арта түсуде. Осы себептерге орай адамның ген-инженерлік инсулинін бактерия клеткасында өндіру қажеттігі туды.
Инсулин гормонының ұзындығы 20 және 30 амин қышқылдарына тең А және В екі полипептидтік тізбектен құралған, олар бір-бірімен қос дисульфидтік байланыс құрады. Организмде инсулин алғашқы кезде 109 амин қышқылдарынан құралған препроинсулин құрамына енеді. Препроинсулиннің ұйқы безі — клеткаларында синтезделуінде алғашқы 23 амин қышқылы молекуласының клетка мембранасынан өту үшін қажет болады; бұл амин қышқылдар ажырап, 86 амин қышқылдарынан тұратын проинсулин түзіледі. ІІроинсулиннің орта бөлігі ферменттің әсер етуімен ыдырап кетеді, мұның нәтижесінде инсулин түзіледі.
Адам инсулин генін алғаш рет 1978 ж. «Генентек» фирмасы (АҚШ) синтездей алды. Соматостатин гені сияқты инсулиннің синтетикалық, гені плазмидаға — галактозидаза генімен, соңына енгізілді. Мұнда әрбір бактериялық клеткада инсулиннің шамамен 100 000 молекуласы синтезделді. Е.СоІі клеткасында проинсулиннің биосинтезі іске асты; ол үшін кері транскриптазаның көмегімен РНҚ-дан оның ДНҚ-көшірмесі (кДНҚ) синтезделді. Америкалық «Эли Лилли» фирмасының зерттеушілері Е. СоІі клеткасының 20% көлемін проинсулин немесе инсулин алатынын атап көрсетті. Көлемі 1000 л бактерия культурасынан 200 г дейін инсулин өндіруге болады, әншейінде гормонның мұндай мөлшерін өндіру үшін сиырдың немесе шошқаның 1600 кг ұйқы безін өңдеу қажет болар еді. 1982 жылы АҚШ-тың азық-түлік өнімдері, косметикалық заттар, дәрі-дәрмектер Федералдың Басқармасы (FDА) «Эли Лилли» компаниясы шығаратын «Хемулин» (инсулиннің саудалық аталуы) препаратын сатуға рұқсат берді. Ұлыбритания мен СССР-де рДНҚ технологиясы арқылы бактерия клеткасында инсулин өндіру 1980 жылдары ойдағыдай шешілді.
Инсулиннен кейін генинженерлік фармокология соматотропин деп аталатыи өсу гормонын бактериялық клеткада синтездеуді шындап қолға алды.
Адамдарда соматотропин гипофиздің алдыңғы бөлігінде синтезделеді, оның жетіспеушілігі гипофиздік ергежейлілікке әкеледі. Көп уақыт бойы соматотропинді өліктерден бөліп келді. Алайда, дамыған елдерде осындай жолмен бөлінген гормон гипофиздік ергежейлілікпен ауыратын адамдардың тек үштен біріне ғана жеткілікті болды. Бұдан басқа, өліктерден бөлінген гормонның қоспасы көп болғандықтан, препарат қабылдаған аурулардың30%-і гормонға қарсы антизаттар синтездейді, мұның өзі гормонның активтілігін жоққа шығарды. Гипофиздік материал баяу дамитын вируспен зақымданған деген де қауіп болды (гормон қабылдаған 4 адамның Крецфельдт-Яқоб ауруынан өлуіне байланысты), сондықтансоматотропин қабылдаған балаларды көп жылдар бойы бақылауға алуға тура келеді.
Ген инженериясының әдістері арқылы арнайы құрастырылған бактерия клеткаларында түзілген өсу гормонының айқын артықшылықтары бар: препараттарбиохимиялық тұрғыдан таза, инфекциялық вирустар жоқ және көп мөлшерде синтездеуге болады.
Швецияның «Каби витрум»фирмасы 1978 ж.«Генентек» компаниясымен ген инженериясының әдісіарқылы соматотропинді синтездей алатын бактерияштамын алу үшін келісімге қол қойды.Сегіз айдан соң «Генентек»фирмасыныңзерттеушілері — Дж. Геддель және т. б. соматотропинді синтездей алатын Е. СоІі К 12 штамын алды. Алайда, алынғансинтетикалықгормонның N — ұшында метиониннің қосымша қалдығы болды. 1980 ж. «Генентек»компаниясының зерттеушілеріқосымша метионині бар синтетикалық гормонныңбиологиялық активтілігі табиғи соматотропиннен кем түспейтін дәлелдерін FDА-га ұсынды.
1985 ж. соңынан бастап «Каби Витрум» компаниясы өсу гормонын сомтрем деген аталумен Стренгнестегі өзінің зауыттарының ферментерлерінде (әрқайсысының сыйымдылығы 1560 л) кең өңдірістік масштабта шығаруда. Мұнда, 7 сағат ішінде 1 л бактериялық культурадан алынған гормонның мелшері 60 өліктің гипофизінен алынғанға эквивалентті. Бұл гормонды қолдану нәтижесінде адам бойының жылдық өсуі 8—18 см тең болды. Ал, 1987 ж. «Эли Лилли» компаниясы рекомбинантты ДНҚ негізінде метионині жоқ яғни табиғи гормоннан айнымайтын өсу гормонын өндірістік негізде шығаруды бастады. Бұл, 191 амин қышқылынан тұратын синтетикалық гормон хуматроп деген коммерциялық аталуымен белгілі.
Қазіргі кезде Жапония, Канада, Англия және Францияда рекомбинантты соматотропинді бактериялық клетка арқылы өндірістік жағдайда өндіру кең жолға қойылған.
Рекомбинантты ДНҚ әдістерін пайдаланып, организм. өсуінің басқа факторларын (соматостатин, соматомедин т. б.) синтездеуге болады. Соматостатин генінің өнімін Е. СоІі клеткасына лак-оперонды қолданып, бөлу мүмкіндігін біз жоғарыда талқылаған болатынбыз. Адамда гипофиздің аденомсында акромегалия ауруы (жақ және жіліктердің шеміршек ұштарының сәйкессіз өсуі) дамиды. Аурудың себебі ретінде соматотропиннің мөлшерден тыс синтезделуінен болады. Міне, осындай ауруды рДНҚ негізінде алынған соматостатинмен емдеудің пайдасы өте зор.
Мал шаруашылығындағы ген инженериясының маңызды жетістіктерінің бірі болып ген-инженерлік соматотропинді зоотехнияда қолдану саналады. Бұл күрделі полифункциялық белок мал шаруашылығында екі бағытта қолдану алды: 1) малдың өсуін стимуляциялау үшін (соматогендік активтілік); 2) сүт бездерінің қызметін жақсарту үшін (лактогендік активтілік). Яғни соматотропин препараты малдың өсуін жеделдету және сауын сиырдың сүттілігін жоғарылату үшін қолданылады. Өсу гормонының соматогендік пен лактогендіктен басқа екі физиологиялық активтілігі бар: инсулиндік және диабеттік. Қазіргі кезде соматотропиннің рекомбинантты ДНҚ технологиясының мақсаты — өсу гормонының бар ғана активтілігінің биотехнологиялық өнімін алу. Мысалы, гормонның N — ұшының алғашқы 150 амин қышқылдарынан айырылған соматотропиннің туындылары алынды. Бұл туынды организмнің өсуін жеделдете алады, ал оның инсулиндік және диабеттік активтілігі байқалмайды. Гормонды соматогендік және лактогендік бөліктерге бөлу тәжірибелері де ойдағыдай өтті.
Әр түрлі текті соматотропиндер өздерінің бірінші құрылымы бойынша бір-біріне өте ұқсас, бірақ оларға түр ерекшелік тән. Басқаша айтқанда, сиырдың гормондық активтілігін күшейту үшін оған тек ірі қара малдан құрастырылған соматотропиннің рекомбинантты ДНҚ-сының өнімін ғана енгізу керек. Малдарға адам соматотропинін енгізу арқылы организмнің өсуіне физиологиялық әсер еткенімен, оның активтілігі күткен нәтижені бермейді.
Физиологиялық активті жетілген соматотропиннің молекулалық массасы — 22 кД және әр түрлі мал түрлерінде 190—195 амин қышқылдарынан құралған. Гормон, алдымен гипофизде прогормон түрінде синтезделеді. Ерекше протеазаның әсерінен прегормонның N — ұшынан 25 амин қышқылынан құралған, сигналдық тізбек деп аталынатын оның гидрофобтық ұшы ажырайды.Қалған полипептидтік тізбек жетілген соматотропинге сәйкес келеді.
Мал түліктерінде соматотропин генінің клонын алу азғана өзгеріспен адамның осындай генінің рДНҚ-сын алу үлгісіндей өтті (П. Баттери және т. б., 1986). Соматотропин геніне экзон-интрондық ұйымдастырылу тән болгандықтан және геннің бактерия клеткасындағы экспрессиясын алу үшін, иРНҚ негізінде кДНҚ көшірмелері алынды. Геддель әдістемесі бойынша генді Нае III рестрикциялық ферментімен үзіп, 531 н. ж. құралған ДНҚ тізбегін алды. Бұл бөлік сигналдық тізбегі жоқ жетілген гормонды ғана коделейді. Алайда, малдың басқа физиологиялық активті белоктарын жетілген полипептидтік тізбек арқылы тікелей микробиологиялық синтездеу мүмкін болғанымен, мұндай әдісті соматотропинді синтездеуде қолдану мүмкін емес, өйткені бактериялық тасығыш-белокты соматотропиннен айыру қиын (химерлі белокты — бактериялық белокты, белок-соматотропиннен метионин бойынша бромцианнан айыруға болмайды, өйткені соматотропиннің құрамында метионин қалдықтары бар) гормонның түререкшелік әсері бұзылуы мүмкін. Сондықтан қтДНҚ-ға, оның бактериялық клеткадағы жұмысын қамтамасыз ететін прокариоттық реттеуші элементтер жалғанады, бұл сонымен қатар соматотропин молекулаларын еркін мономерлі түрде алуға мүмкіндік береді.
Соматтотропин молекулаларын прегормон фирмасында алу да ыңғайлы. Ол үшін жетілген гормон генінің ұшына реттеуші элементтермен қатар белгілі тізбекті коделейтін синтетикалық тізбекті жалғайды. Синтетикалық тізбек Геддель Әдістемесі бойынша 84 н.ж. құралған және химиялық жолмен синтезделеді. Соматотропиннің немесе оның прегормон формасындағы генін Е. СоІі клеткасына енгізіп, зоотехния үшін аса пайдалы препараттар алады.
Қазіргі кезде ген-инженерлік әдіс арқылы ірі қараның, қойдың, шошқаның және тауықтың соматотропин гені алынды және оның Е. СоІі клеткасындағы клонын алу және экспрессиясы іске асты. Мұқият жүргізілген зерттеулер ірі қараның бактериялардан алынған соматотропині сауын сиыр сүттілігінің артуына ықпал ететінін дәлелдеді. Малға тәулігіне 13,5-тен 40-5 мг дейін соматотропинді енгізгенде, сиырдан алынған сүт мөлшері препараттың мөлшері мен малдың күтімінебайланысты 10-нан 50%-кедейін көтерілді. Осыбиотехнологиялық өнімді ірі қара сүтшаруашылығында жаппай қолдану кейбір ғалымдардың (Т.Аткинсонжәшет. б.,1985; Д. Бауман, МакГутчеон, 1985)пікірі бойынша сиыр сүттілігін орта есеппен 23 — 31%-ке көтереді. П. Баттери өз қызметкерлерімен (1980) ұзақ уақыт бойы (188 күн) соматотропин қабылдаған сиырлар сүтінің сапасы бақылау тобынан ешқандайайырмашылығы жоқекендігін дәлелдеді. Бұдан соматотропин малдың басқафизиологиялық белгілеріне зиянды әсер бермеді.
Кейінгі кездесоматотропинді малдың (іріқараның, қойдың жәнешошқаның) еттілігін жақсарту үшінде қолдануда. Малдың түріне, күтіміне және гормондық препараттың мөлшеріне байланысты тәжірибе тобының орта есеппен тәулігіне қосқан салмағы 20—30%-ке артты, бұл малды семіртууақытының қысқаруына әкелді.Бұдан басқа, өсу бірлігіне азық шығынының азайғаны байқалды. Ең бастысы,малдың тірі салмағының артуы еттіліксапасының нашарлауына әкелген жоқ: еттесоматотропиннің артық мөлшері болған жоқ. Гормонның30—200 мг-ын организмнің 1 кг массасына тәулік сайыненгізу торайдың өсуін тездетті және еттің сапасынжақсартты.
Еттегі май мөлшері 55%-ке азайды. Соматотропинді қолдану арқасында шошқалар 100 кг салмақты қосуы кәдімгі азықтандырумен салыстырғанда 7 —10 күнге кеміді.
Қазірге кезде «Монсанто» компаниясы организмге ұзақ уақыт әсер ететін гормондық препараттарды алу жұмыстарын жүргізуде. Мұндай соматотропинді өндірістік жағдайда қолдану өте ыңғайлы (әдетте, гормонды малға күн сайын енгізу керек). Алайда, генетикалық инженерияға негізделген биотехнологиялық өнімдер сауда объектісіне айналғандықтан мұндай жаңа коммерциялық зерттеулердің технологиясын фирма әдетте құпияда ұстап, оның нәтижесін баспадан шығармайды.
Жаңа зерттеулер соматотропинді организмніңөсуіне әсер ететін басқа гормондармен қоса қолданылу мал өсуін тиімді жеделдететінін көрсетті. Осындай гормонның бірі соматомединнің рекомбинантты гені синтезделді. Оны соматотропинмен біргеқолдану ірі қара меншошқаның өсуін өте тиімді жеделдетті (Т. Вагнер және т. б., 1986). АҚШ-тың «Биоген» фирмасы бұқаның соматомедин С генінің клонын көбейтіп, оның өнімін бактериялықклеткадан өндірді. Бұл фирманың зерттеушілері өздерінің ғылыми еңбектерін баспада түгел жарияламаса да, олардың пікірі бойынша соматомединнің мал өсуін жеделдеткіш препараты ретінде соматотропинмен салыстырғанда кейбір артықшылықтары бар.
Алдыңғы қатардағы биотехнологиялық фирмалар (мысалы, Дженерал Диагностик Корп, АҚШ) рекомбинантты ДНҢ технологиясы арқылы мал өсуін реттейтін белокты заттарды шығаруды бастады. Мысалы, протеаза ингибиторлары белоктың ыдырау жылдамдығын бәсеңдетуі арқылы малдың ет массасының көбеюіне себепші болады. Белоктық препарат — агонист май қыртыстарын азайтып, ет ұлпасының түзілуін күшейтеді.
Қолданылатын әдебиеттер тізімі.
Негізгі әдебиеттер:
1.Б.Бегімқұлов Молекулалық генетика және биотехнология негіздері. Алматы, «Білім» 1996.
2.Дж.Уотсон, Дж.Туз,Д.Курц.Рекомбинантные ДНК.М.Мир, 1986г.
3.А.Сассон Биотехнология:свершения и надеждыМосква “Мир” 1987 г.
4.Маниатс Т.Фрич Э.Дж.Сэмбрук. Методы генетической инженерии.Молекулярное клонирование.М.Мир 1984г.
5.Инге-Вечтомов С.Г.Введение в молекулярную генетику.М.Высшая школа,1983г.
Қосымша әдебиеттер:
6.Новое вклонировании ДНК.Методы / Под ред. Д.Гловера.М.Мир, 1989г.
7.Льюин Б.Гены.М.Мир, 1987г.
8.Мобильность генома растений /Под ред.Б.Хон и Е.С. Деннис.М.Во “Агропромиздат” ,1990г
9.Пирузян Э.С. Основы генетической инженерии растений.М Наука,1988г.
10.Созинов А.А. Ақуыздың полиморфизмі және оның генетика мен селекциядағы маңызы. М. Наука. 1985 ж. 272 бет.