Современная генетика

Современная генетика

numai din punctul s?u de vedere: ori biologic, ori social. Оntre factorii

biologici ?i sociali оn procesul dezvolt?rii omului, precum se ?tie, se

stabile?te o anumit? rela?ie. Omul tr?ie?te ?i se dezvolt? оntr-o societate

concret?, оntr-o anumit? epoc? istoric? ?i aceasta, fire?te, stimuleaz?

dezvoltarea calit??ilor lui, de care societatea are nevoie, care sunt

cerute de acea epoc?. Predispozi?iile pe care le posed? omul trebuie s? fie

eviden?iate ?i cultivate. Pentru a educa omul, trebuie s? cunoa?tem bine

particularit??ile lui atвt cele biologice, cвt ?i cele psihologice. F?r?

cunoa?terea geneticii nu se poate realiza complet principiul «de la fiecare

dup? aptitudini, fiec?ruia dup? cerin?e».

Mediul poate sau s? perfec?ioneze, sau s? оnr?ut??easc? calit??ile

оnn?scute оn dependen?? de valoarea etic? ?i cultural? a acestui mediu. Un

exemplu interesant оn aceast? privin?? ne prezint? ?. Auerbach. Dup? cum

c?r?ile de joc se amestec? оnainte de a le distribui juc?torilor, tot a?a

?i genele p?rin?ilor se distribuie la copii fiind amestecate. Nu se ?tie ce

gen? anume va ob?ine copilul, dup? cum nu se ?tie ce c?r?i din оntregul

pachet vor fi repartizate juc?torilor. Rezultatul jocului, succesul оn joc

оns? nu va depinde numai de felul c?r?ilor, ci ?i de felul cum va ?ti s? le

foloseasc? juc?torul. Un juc?tor bun cu c?r?i mai slabe poate s? ajung? la

un succes mai mare, decвt un juc?tor prost cu c?r?i bune, dar care nu ?tie

s? le foloseasc?.

Оn fa?a pedagogiei ?i psihologiei se afl? problema de a determina cвt mai

timpuriu aptitudinile, pe care le posed? copilul. Cunoa?terea lor va

permite organizarea corect? a educa?iei. S? nu uit?m c? оns??i via?a

social? are origine biologic?.

Omul, ca fiin?? biosocial?, are dou? programe de dezvoltare – bilogic?,

imprimat? оn ADN ?i transmis? ereditar din genera?ie оn genera?ie, ?i

social?, care nu este оnscris? оn genele sale. Pentru a se dezvolta ca

personalitate el trebuie s? se conduc? de ambele programe. Calit??ile unei

persoane sunt determinate ?i de genotipul ob?inut ereditar, ?i de mediul

social, оn care are loc dezvoltarea sa. Genotipul influen?eaz? asupra

form?rii ?i dezvolt?rii fenomenelor psihice ale omului, asupra form?rii

individualit??ii lui. Mediul trebuie s? fie favorabil pentru un anumit

genotip.

La na?tere oamenii nu sunt egali din punct de vedere genetic, de aceea

influen?ele pedagogice ?i psihologice nu pot fi acelea?i pentru persoane

diferite. Fiecare om о?i are genotipul s?u ?i reac?ii specifice lui.

Educa?ia ?i instruirea trebuie s? corespund? individualit??ii fiec?rui om,

care percepe realitatea оn felul s?u. ?inвnd seama de aceste fapte trebuie

de c?utat metode ?i mijloace cвt mai potrivite pentru realizarea instruirii

?i educa?iei.

X. INGINERIA GENETIC?

10.1 Structura genomlui

Pe baza exemplelor cu privire la legile de mo?tenire a caracterelor,

analizate оn capitolul оntвi, unii cititori ?i-au format p?rerea c? fiecare

organism se caracterizeaz? prin dou? st?ri: stare intern?, determinat? de

constitu?ia ereditar?, ?i starea extern?, ce const? оn realizarea

posibilit??ilor ereditare ale organismului оn anumite condi?ii de

existen??. Оntr-adev?r, a?a este.

Suma factorilor ereditari ai organismului a fost numit? genotip, iar

totalitatea caracterelor - fenotip. Оn prima jum?tate a secolului XX

savan?ii considerau c? genotipul individului оl formeaz? o anumit? sum? de

predispozi?ii ereditare - gene, care se pot combina liber, formвnd cele mai

variate оmbin?ri, pe cвnd fenotipul, la rвndul s?u, este un mozaic de

caractere, care se constituie de fiecare dat? оn mod diferit.

Cercet?rile ?i experimentele efectuate оn continuare au demonstrat c?

aceste reprezent?ri sunt simpliste, iar оn multe cazuri - gre?ite.

Оnc? Morgan оn lucr?rile sale a ar?tat c? genele ocup? anumite locuri

(locusuri) de-a lungul fiec?rui cromozom, formвnd a?a-zisele grupuri

ligaturale (blocuri), ?i din aceast? cauz? ele nu pot s? se combine

оntotdeauna liber, ci, dimpotriv?, de cele mai dese ori se transmit

оmpreun? cu cromozomul lor.

Legile stabilite de Mendel s-au dovedit a fi limitate tocmai din cauza

fenomenului eredit??ii ligaturate a multor caractere. Aceste legi sunt

valabile numai pentru caractere, ale c?ror gene sunt localizate оn diferite

perechi de cromozomi. Afar? de aceasta, s-a stabilit c? anumite caractere

se mo?tenesc numai pe linie matern?, adic? ele nu sunt controlate de

factorii nucleici, ci de citoplasma celulelor. A?a au ap?rut no?iunile de

ereditate nuclear?, sau cromozomic?, ?i de ereditate citoplasmatic?, sau

extracromozomic?. Genele citoplasmatice se localizeaz? оn mitocondriile ?i

plastidele celulelor eucario?ilor, precum ?i оn plazmidele procario?ilor.

Plazmidele sunt ni?te molecule mici inelare de ADN, descoperite la

bacterii.

A?a dar, datele noi au confirmat ideea c? genotinul individului prezint?

nu numai suma genelor nucleului, ci ?i un sistem integral, format

evolu?ionar, de interac?iunea dintre toate elementele genetice ale celulei

?i ale оntregului organism. Acest sistem a fost numit genom. Genomul

cuprinde, prin urmare, оntreaga informa?ie genetic? a organismului, care se

manifest? treptat ?i succesiv оn caracterele ?i оnsu?irile concrete

biochimice, fiziologice, morfologice, vizibile ?i invizibile Ele determin?

toate manifest?rile vitale оn decursul dezvolt?rii individuale

Unitatea elementar? a genomului este gena dar оn ultimele decenii

no?iunea de gen? s-a schimbat esen?ial, s-a оmbog??it cu un con?inut nou,

ea a suferit o evolu?ie asem?n?toare cu cea a atomului din fizica modern?.

S-a constatat c? structura genelor la procario?i se deosebe?te оntr-o

anumit? m?sur? de cea a eucario?ilor dup? оmpachetare, transcriere ?i

translare, c? grupele de gene, mai alee eucario?ii, au numeroase

particularit??i func?ionale Оn afar? de aceasta, s-a confirmat оn ultimul

timp c? unele gene sunt reprezentate prin succesiuni unicale de nucleotide,

altele - prin succesiuni care se repet? multiplu, celelalte formeaz?

familii оntregi sau sunt dispersate ?i sar mereu оn genom dintr-un loc оn

altul.

Datorit? acestui fapt a luat na?tere o nou? reprezentare despre structura

genomului organismelor, conform c?reia genomul se aseam?n? cu un ora?

modern ce are prospecte unice ?i numeroase ansambluri arhitecturale, unice

оn felul lor, dar care formeaz? totodat? o parte component? a unor

ansambluri mai mari, ce оmpodobesc partea central? a ora?ului, sau unul din

microraioanele lui. ?i microraioanele se aseam?n? prin ceva, prin ceva se

deosebesc, deoarece оn fiecare dintre ele se construiesc ?i cl?diri unice,

precum ?i grupe de cl?diri, construite dup? proiecte - tip identice.

Precum doar arhitectul poate cuprinde оntreaga frumuse?e a compozi?iei

arhitecturale a ora?ului pe care l-a conceput, tot a?a arhitectura

genomului nu este accesibil? fiec?ruia. Vom profita, оns?, de marea dorin??

a cititorilor de a p?trunde esen?a acestei compozi?ii ?i vom оncepe o

excursie pentru a o cunoa?te.

A?a dar, pentru оnceput, ce este gena? Gena este un fragment al ADN-ului

cu o succesiune determinat? a nucleotidelor ?i оn fiecare din acestea este

cifrat? sau codificat? o anumit? protein? Оn celula animalelor superioare

?i a omului se afl? un asemenea volum de ADN, c? ar ajunge pentru crearea a

3 milioane de gene. Оn realitate, оns?, la om exist? ?i func?ioneaz?

aproximativ 100 de mii de gene

Fiecare gen? individual? are o structur? proprie primar? a ADN ului

specific? numai ei. Transcrierea genelor se face de pe anumite fragmente

ale uneia din catenele ADN-ului. Catena ADN, care con?ine codul veridic al

unei anumite proteine, se nume?te caten? logic? (de codificare).

La majoritatea virusurilor, la procario?i ?i eucario?i ambele catene de

ADN con?in fragmente logice, dar la fiecare gen? este logic? numai una din

cele dou? catene.

S-a constatat c? la multe virusuri ?i bacteriofagi genele se suprapun, la

bacterii ele prezint? o structur? neоntrerupt?, iar la organismele

superioare – ele sunt fragmentare, a?ezate оn form? de mozaic?.

La оnceput gena sau un grup de gene au un fragment special - promotor,

care pune оn func?ie gena, iar la sfвr?it se afl? terminatorul, care d?

semnalul оncet?rii lucrului.

La organismele pluricelulare num?rul total al genelor este de aproape 100

de mii ?i din ele partea covвr?itoare o formeaz? genele unice. Din genele

unice fac parte succesiunile de nucleotide, care au structura lor specific?

?i sunt prezentate оn genom o singur? dat?.

Оn genomul eucario?ilor оn afar? de gene unice оntвlnim ?i gene care se

repet? de multe ori. Din ele fac parte genele ARN-ribozomal (ARNr), de

transport (ARNt) ?i de proteine-histone.

Majoritatea organismelor au sute de astfel de gene. Genele ARNr se pot

repeta de sute (la insecte) ?i mii (la vertebrate) de ori. Deocamdat? nu

este limpede sensul acestei varia?ii de gene.

Num?rul genelor pentru fiecare ARNt este mult mai mic - de la cвteva pвn?

la zece ?i rareori sute de unit??i. Оn majoritatea cazurilor ele se adun?

оn grupuri, care se a?eaz? оn оntregul genom.

Genele de histone sunt interesante prin faptul c? repetarea lor оn genom

este foarte variat?: la drojdii - g?sim cвteva, la mamifere ?i p?s?ri-zeci,

la drozofil? ?i triton - sute, iar la axolotl - mii de unit??i, f?r? ca s?

existe vre-o leg?tur? оntre ace?ti indici ?i pozi?ia organismului pe scara

evolutiv?.

Оn genom genele-rude formeaz? deseori familii, care apar ori drept

consecin?? a duplic?rii genelor оn cursul evolu?iei, ori, dimpotriv?, drept

urmare a trecerii de la genele mult repetabile la un num?r al lor mult mai

mic.

A fost studiat? bine din acest punct de vedere familia genelor globine la

om. Genele alfa-globine au fost localizate оn cromozomul al 16, iar genele

beta-globine - оn cromozomul 11. Atвt genele alfa-globine, cвt ?i cele beta-

globine seam?n? mult оntre ele dup? succesiunile nucleotidelor ?i

func?ioneaz? la rвnd оn cursul dezvolt?rii. Apropierea de rudenie a genelor

din genom permite, probabil, s? se dirijeze reglarea lor fin? ?i

coordonat?.

Оn afar? de tipurile de gene enumerate mai sus, оn genomul eucario?ilor

se оntвlnesc ?i alte gene: genele ce se restructureaz? ?i pseudogenele, dar

examinarea lor dep??e?te limitele temei noastre.

Un interes aparte prezint? o alt? grup? numeroas? de gene, care a c?p?tat

diferite denumiri (gene mobile, s?lt?re?e, multiple ?. a. m. d.), pe care

le vom examina acum.

Оn anul 1983 savanta american? B. Mac-Clintock la vвrsta de 82 de ani a

fost distins? cu Premiul Nobel pentru descoperirea «genelor s?lt?re?e» la

p?pu?oi, f?cut? de ea 40 de ani оn urm?. Ea se ocupa cu studierea

mo?tenirii genei care determin? culoarea gr?un?elor din ?tiulete; dac?

aceast? gen? lipse?te sau, оn caz de muta?ie, gr?un?ele sunt decolorate.

Оn timpul experien?elor ea a observat c? оn unele cazuri se оntвlnesc

gr?un?e b?l?ate ?i a presupus c? exist? o a doua gen? care poate cupla sau

decupla gena colora?iei, fapt ce conduce la apari?ia sectoarelor colorate

pe fondul gr?untelui lipsit de culoare. Mai tвrziu s-a constatat c? gena a

doua exist? оn realitate ?i c? ea se afl? al?turi de gena colora?iei

(fig.20).

Оn prezen?a genei a doua, pe care ea a numit-o «disociator cromozomic»,

gena colora?iei nu func?iona. Cвnd, оns?, gena-disociatoare disp?rea, gena

colora?iei оncepea s? ac?ioneze. Dac? aceasta se producea оn perioada de

dezvoltare a unor gr?un?e, ele deveneau b?l?ate.

Pe parcursul urm?toarelor cercet?ri Clintock a descoperit c? exist? ?i o

a treia gen?, dislocat? mai departe de primele dou?. Aceast? gen? ea a

numit-o activator. Ea era necesar? pentru a se produce salturile genei-

disociatore. Gena-activator avea ?i ea capacitatea de a s?ri, precum ?i de

a modifica munca genelor vecine cu ea.

Оn prezent concluziile lui Clintock despre existen?a a dou? tipuri de

elemente mobile, pe care le-a f?cut ea pe baza studierii mo?tenirii culorii

la p?pu?oi, au ob?inut confirmare str?lucit? оn utilizarea metodelor

ingineriei genetice. Ba mai mult, diferi?i autori au dovedit existen?a

celor mai diferite tipuri de gene s?lt?re?e sau mobile la multe obiecte. Оn

ultimii ani оn afar? de restructur?rile cromozomice, cunoscute demult, au

fost descoperite deplas?ri de la un loc la altul оn cromozomi ale unor

fragmente mici de ADN cu pu?inele lor gene. Acest fenomen a fost numit

transpozi?ie a genelor, lui i se atribuie un mare rol оn evolu?ia

aparatului genetic, precum ?i оn reglarea ac?iunii genelor оn cursul

ontogenezei. Pe la mijlocul deceniului al optulea colaboratorii ?tiin?ifici

оn frunte cu G. Gheorghiev (IBM A? URSS) ?i D. Hognes (SUA) au constatat c?

printre genele ce func?ioneaz? activ ale musculi?ei drosofila multe n-au un

loc stabil ?i sunt plasate оn fragmente ale tuturor cromozomilor, adic?

sunt multiple.

Cel mai uimitor a fost, оns?, faptul c? aceea?i gen? la diferite

musculi?e se afl? localizat? la cromozomi оn mod diferit. La mu?tele de

diferite linii deosebirile erau foarte mari, la rude s-au constatat mai

multe coinciden?e, dar, totu?i, la aproximativ o treime din ele genele erau

dislocate absolut diferit.

A devenit limpede c? unele gene n-au dislocare definit? оn cromozom - la

diferi?i indivizi de drosofil? de aceea?i specie ele pot ocupa diferite

pozi?ii.

Оn genomul drosofilei pвn? оn prezent au fost studiate aproximativ 20 de

familii de gene mobile cвte 100-150 copii оn fiecare familie. Num?rul total

al acestor gene este de aproape 1000, ele formвnd aproximativ 5% din

оntregul material genetic. Genele mobile sunt alc?tuite de obicei din 5-10

mii de perechi de nucleotide, dintre care repet?rilor terminale le revin

cвte 300-600 perechi.

S-a constatat c? оn repet?rile acestor gene exist? toate elementele de

conducere: promotorul, terminatorul ?i amplificatorul. Deoarece aparatul de

conducere este dislocat la ambele poluri ale genelor, el poate pune оn

func?iune nu numai elementele mobile, dar ?i genele din vecin?tate cu el.

E fireasc? оntrebarea: de ce avem nevoie de elementele genetice mobile?

Elementele mobile ale genomului sunt purt?tori ai informa?iei referitor

la fermen?i de care au nevoie chiar ele pentru a se disloca ?i a se

оnmul?i.

Majoritatea savan?ilor consider? c? genele mobile sunt ADN «egoist» sau

«parazi?i geneticii», a c?ror sarcin? principal? este autoreproducerea.

Ele toate prezint? un balast pentru celul?: dac? din genom va fi scos vre-

unul din elementele mobile, aceasta nu va influen?a activitatea vital? a

celulei. Оn asemenea caz se isc? оntrebarea: cum influen?eaz? disloc?rile

elementelor mobile asupra vie?ii celulei? Genele mobile оntr-un loc al

genomului exercit? o ac?iune puternic? asupra genelor vecine. Efectul poate

fi diferit: dac? aceste elemente nimeresc оn partea codificatoare a genei

structurale, se modific? оndat? textul оnregistrat pe care оl poart?

aceast? gen?. ?i оnc? o situa?ie tipic?: elementul mobil se insereaz?

al?turi de gen?. Ca urmare se modific? intensitatea func?ion?rii acesteia.

Оn special se poate оncepe o transcrip?ie intens? a genei, care a ni-merit

sub ac?iunea promotorului sau amplificatorului, dislocat la polurile

elementului mobil, iar sub ac?iunea unor asemenea explozii de variabilitate

molecular? se asigur? o adaptare mai bun? a organismelor la condi?iile

schimb?toare ale mediului. ?i cum s? nu ne amintim aici proverbul antic: оn

natur? nimic nu este de prisos!

10.2 Direc?iile principale ale ingineriei genetice

Ingineria genetic? se nume?te, de obicei, genetic? celuar? ?i molecular?

aplicat?, care elaboreaz? metode de interven?ie experimental?, ce permit

restructurarea conform unui plan trasat оn prealabil a genomului

organismelor, modificвnd оn el informa?ia genetic?.

Conform opiniei cunoscutului geneticiian S. Gher?enzon, la ingineria

genic? pot fi referite urm?toarele opera?ii:

- sinteza genelor оn afara organismelor;

- extragerea din celule a unor gene, cromozomi sau nuclee;

- restructurarea dirijat? a structurilor extrase;

- copierea ?i multiplicarea genelor sau a structurilor sintetizate ?i

separate;

- transferul ?i inserarea unor asemenea gene sau structuri genetice оn

genomul ce urmeaz? s? fie modificat;

- оmbinarea experimental? a diferitelor genomuri оntr-o singur? celul?.

A?a dar este vorba de metode de manipulare la nivel molecular, cromozomic

sau celular cu scopul de a modifica programul genetic оn direc?ia dorit?.

Ingineria genic? о?i propune s? introduc? realiz?rile ei revolu?ionare

оntr-o serie de ramuri ale economiei na?ionale. Se a?teapt? ca ea s?

contribuie la asigurarea cu asemenea substan?e biologice active precum sunt

aminoacizii, hormonii, vitaminele, antibioticele ?. a. Exist? mari speran?e

de a m?ri pe aceast? cale diferitele vaccinuri, care sunt utilizate оn

profilaxia bolilor infec?ioase ale oamenilor ?i animalelor, de a lichida

rezisten?a diferi?ilor microbi patogeni la antibiotice ?. a. m. d.

Mari perspective se deschid оn fa?a ingineriei genetice оn fitotehnie. Se

?tie c? soiurile mai roditoare de grвu, orez, porumb, sorg ?i de celelalte

culturi cerealiere, care au marcat epoca «revolu?iei verzi» оntr-un rвnd de

??ri ale lumii, au nevoie de cantit??i enorme de оngr???minte minerale, ?i

оn primul rвnd de cele azotice, de producerea c?rora depinde оn mare m?sur?

economia acestor ??ri.

Totodat? noi tr?im la fundul unui ocean de aer, care con?ine 79 % de

azot. Crearea unor soiuri de plante capabile s? capteze azotul atmosferic

ar face de prisos producerea lui pe cale industrial?, fapt ce ar elibera

mijloace colosale pentru alte nevoi ale ??rii.

Un interes la fel de mare оl prezint? ?i proiectele de creare a unor

specii de alge, care ar avea capacitatea de a absorbi selectiv cationii

diferitelor s?ruri pentru a face potabil? apa marin?.

A face potabil? apa marin? este una dintre problemele cele mai arz?toare,

care se afl? оn centrul aten?iei unui comitet special al ONU. Cu fiece an

pe planeta noastr? se resimte tot mai mult deficitul de ap? potabil?.

Pentru a ne imagina mai bine acest deficit, vom aduce urm?torul exemplu: оn

lacul Baical sunt concentrate peste 20% din rezervele de ap? potabil? din

lume. ?i peste 80% din cele ale fostei URSS. Doar no?iunea de «ap?

potabil?» include to?i ghe?arii, toate rвurile, apele subterane.

Unele din proiectele ingineriei genice enumerate mai sus par a fi

rezolvabile chiar ast?zi, altele ?in de domeniul fantasticii, dar progresul

tehnico-?tiin?ific, precum s-a dovedit de nenum?rate ori, apropie de

realizare chiar cele mai fantastice planuri.

Direc?iile ?tiin?ifice fundamentale, care au fost elaborate relativ nu

demult оn acest domeniu de cercet?tori, sunt ingineria celular?, ingineria

cromozomic? ?i ingineria genic?. Ele pot fi, pe drept cuvвnt, numite c?i

magistrale ale ingineriei genetice.

Ingineria celular? are scopul de a ob?ine unele plante оntregi din

protopla?ti izola?i, sau, precum le numesc savan?ii, «plante din eprubet?»;

cultivarea celulelor vegetale оntr-un mediu nutritiv artificial, pentru

ob?inerea оn mod accelerat a unui volum mare de mas? biologic? din care se

vor extrage ulterior variate substan?e biologice active; cultivarea оn

comun a protopla?tilor («celulelor goale») pentru a se ob?ine a?a-zi?ii

hibrizi asexua?i sau somatici, care оmbin? caractere de valoare ale

diferitelor specii, genuri ?i chiar familii de plante.

Ingineria celular?, fiind aplicat? la animale, ar permite utilizarea

celulelor sexuale ?i somatice (corporale), precum ?i a zigo?ilor (ovulii

fecunda?i) ?i germenilor precoci ai unor reproduc?tori ce se disting prin

indicii lor geneticii, pentru accelerarea procesului de ob?inere a unor

rase de mare randament.

Ingineria cromozomic? о?i propune transferarea unor cromozomi de la unele

specii de organisme la altele pentru a le transmite noi tr?s?turi utile.

Aceasta se mai ocup? ?i de metodele de ob?inere a hibrizilor dep?rta?i

fecunzi de plante ?i chiar de ob?inerea unor specii noi prin m?rirea оn

celulele lor a garniturilor de cromozomi.

Ingineria genic? este calea magistral?, prospectul central al ingineriei

genetice, deoarece anume pe aceast? cale au fost ob?inute rezultatele cele

mai nea?teptate, cu privire la reconstruirea genomilor din celulele

microorganismelor, plantelor ?i animalelor.

Prin metoda ingineriei genice se sintetizeaz? gene noi, se realizeaz?

transmutarea ?i inserarea lor оn genomurile organismelor, se ob?ine оn ele

expresia genelor str?ine. Ingineria genic? va face posibil? ?i vindecarea

oamenilor de numeroase defecte ereditare.

10.3 Separarea ?i sinteza artificial? a genelor

Pentru a оnzestra un organism ne cale artificial? cu noi propriet??i,

trebuie s? introducem оn el o nou? gen? sau un grup de gene, ce ar

func?iona acolo, adic? ar produce proteine. Gena necesar? se ob?ine «оn

form? pur?» prin cвteva metode. Cel mai des ea este separat? direct din

ADN.

Aceast? procedur? se realizeaz? cu ajutorul a dou? opera?ii de baz?,

care pot fi denumite simplu «sec?ionare» ?i «suturare». Rolul de

instrumente оl joac? ni?te proteine speciale - fermen?ii, care-s

catalizatori biologici ai diferitelor procese ?i reac?ii, ce se produc cu

moleculele оn celule. Exist? un grup de fermen?i, care au o ac?iune

specific? asupra ADN-ului ?i se utilizeaz? pe larg оn ingineria genetic?.

Ace?tia sunt: restrictazele, ADN-ligazele, revertazele, transferazele

terminale ?. a. m. d. Cel mai des sunt utilizate оn acest scop

restrictazele ?i ligazele. Restrictazele func?ioneaz? ca ni?te «foarfece»

moleculare, iar ligazele, dimpotriv?, unesc оntr-un tot оntreg moleculele

t?iate de ADN.

Restrictazele, ac?ionвnd asupra catenei de ADN, recunosc o anumit?

succesiune de nucleotide. Оn fig. 21 este prezentat schematic sectorul

molecular ADN cu dou? catene. Restrictaza, numit? Hind II, «recunoa?te»

succesiunea compus? din ?ase nucleotide GTC, GAC, pe care o taie exact la

mijloc.

Restrictaza cu denumirea conven?ional? RI «recunoa?te» o alt? succesiune

a nucleotidelor GAA TTC ?i «taie» ADN-ul оn acest loc asimetric, «оn

trepte». La fel de asimetric, dar оn alt? direc?ie ADN-ul este t?iat de

restrictaza PstI ?. a. m. d. Toate aceste fragmente t?iate pot fi suturate

din nou оntr-un tot оntreg de fermentul ligaza. Оn prezent cunoa?tem peste

patru sute de restrictaze ?i lista lor se completeaz? mereu. Cu ajutorul

fermen?ilor polii fragmentelor ADN pot fi lungi?i, din ei pot fi

оndep?rtate sectoare aparte, ADN-ul poate fi t?iat exact оn locul necesar,

adic? genele pot fi separate, croite ?i recroite dup? voia

experimentatorului, ceea ce este foarte important pentru construirea

moleculelor de ADN hibride sau recombinante.

Deoarece savan?ii dispun de un num?r limitat de gene pentru ob?inerea

moleculelor recombinante, ei utilizeaz? оn calitate de surse de gene, оn

primul rоnd, ADN-ul total, fragmentat sau t?iat оn segmente aparte de

fermen?ii restric?iei. Aceast? metod? a fost numit? metoda fragment?rii.

Datorit? ac?iunii restrictazelor ADN-ul se scindeaz? оn numeroase

fragmente, unele dintre ele con?inвnd gene.

Popula?ia acestor molecule de ADN este multiplicat? оn sistemul

bacterial, dup? care se selecteaz? genele necesare. La selectare este

folosit de obicei ca prob?-test ARNi radioactiv, sau copia ADNc, care

corespunde acestei gene. Aceast? metod? permite separarea atвt a genelor

ce se repet?, cвt ?i a genelor unice. Dificult??ile legate de selectarea

genelor unice se datoresc concentr?rii lor mici оn ADN-ul total. Astfel,

bun?oar?, printre fragmentele de ADN total un fragment de gen? unic? revine

la un milion de toate celelalte fragmente.

Оn prezent din ADN-ul total al unei serii de obiecte au fost separate

genele structurale. S. Cohen ?i D. Hogness оmpreun? cu colaboratorii lor au

separat pentru prima oar? din ADN-ul ariciului-de-mare ?i drosofilii cloni,

care con?in gene histonice ?i ribozomice.

La Institutul de biologie molecular? al A? al fosteо URSS (laboratorul

lui G. Gheorghiev) оn colaborare cu Institutul de energie atomic? I. V.

Curceatov (V. Gvozdev ?i colaboratorii s?i) s-a ob?inut prin intermediul

acestei metode o serie de gene structurale din ADN-ul drosofilei. Deoarece

acest obiect a fost bine studiat din punct de vedere genetic, prezint?

interes determinarea direct? a localiz?rii ?i func?iei posibile оn cromozom

a genelor separate.

Savan?ii au оnv??at nu numai s? separe din ADN gene ale diferitelor

organisme, dar ?i s? sintetizeze gene artificiale. Prima gen? artificial?,

care a оnceput s? func?ioneze, a fost sintetizat? de un grup de

colaboratori ai Institutului tehnologic din Massaciusets (SUA) оn frunte cu

X. Khorana - laureat al Premiului Nobel. Acasta a fost gena ARNt al

tirozinei.

Оn anul 1970 la Simpoziumul interna?ional de chimie ai compu?ilor

naturali din ora?ul Riga X. Khorana a f?cut o comunicare cu privire la

sintetizarea p?r?ii structurale a unei alte gene - ARNt al alaninei.

Acestei gene оi lipseau, оns?, оnc? cвteva p?r?i componente, ?i de aceea n-

a putut func?iona оn celule str?ine. Tot atunci colaboratorii laboratorului

lui X. Khorana au reu?it s? sintetizeze un segment din 85 de perechi de

nucleotide, care corespundea succesiunii ini?iale a ARNt-ului tirozinei.

Dar ?i aceast? gen? ca ?i cea a ARNt-ului alaninei s-a dovedit biologic

inactiv?.

Mai curвnd s-a clarificat una din cauzele e?ecului - оn celul? se

sintetizeaz? la оnceput ARNt-ul precursor compus din 126 de nucleotide.

Dup? aceasta un ferment special taie o parte din molecula precursoare ?i

abia atunci se transform? оn molecul? lucr?toare. A fost determinat?

succesiunea acestei precursoare ?i sintetizat segmentul respectiv de ADN

compus din 126 perechi de nucleotide. Dar nici Aceast? gen? nu era activ?

din punct de vedere biologic.

?i aici a devenit limpede c? gena artificial? nu va putea func?iona оn

celul?, dac? nu va fi оnzestrat? cu sectoare de reglare - cu promotorul

care pune оn func?iune sinteza ARNt-ului ?i terminatorul care pune cap?t

sintezei. A fost nevoie de metode speciale pentru a determina succesiunea

acestor sectoare de reglare. S-a constatat c? promotorul con?ine 59 perechi

de nucleotide, iar terminatorul - 21 de perechi. A fost sintetizat? o gen?

complicat? cu promotor ?i terminator. Ba chiar mai mult, pentru ca celula

s? nu recunoasc? оn gen? un str?in, s-a decis c? ea s? nu se plimbe la

voie, c? ea trebuie suturat? оn ADN-ul celulei. Оn acest scop la ambele

poluri ale genei sintetizate au fost unite capete «lipicoase» cu un singur

filament. Tocmai aceste poluri se formeaz? оn ADN, cвnd fermentul

restrictaza оl taie оn buc??i.

Dac? se va ac?iona asupra ADN-ului cu restrictaza, iar apoi se va ad?uga

gena sintetic?, capetele ADN-ului ?i ale genei se vor lipi unul de altul ?i

gena se va оncorpora оn ADN. R?mвne doar de suturat jonc?iunile cu

fermentul ligaza. Savan?ii au procedat tocmai a?a. ?i... iar au e?uat.

Bacteria E. coli n-a receptat gena str?in?. Cercet?torii erau aproape

dispera?i. ?i atunci au оncercat s? sutureze gena nu оn ADN-ul

colibacilului, ci оn ADN-ul unuia din virusurile, care se оnmul?esc оn

aceast? bacterie. De data aceasta savan?ii au lucrat bucurвndu-se de

succes: dup? ce celula colibacilului a fost infectat? cu virusul, оn gena

c?ruia a fost оncorporat? gena artificial?, bacteria a оnceput a sintetiza

ARNt-ul codificat оn aceast? gen?.

A?a dar, a оnceput a func?iona prima gen? sintetic?.

De atunci familia genelor sintetice artificiale cre?te mereu. Оndat? ce a

fost descoperit fenomenul reverstran-scrip?iei, adic? procesul de

transferare a informa?iei genetice de la ARN la ADN, savan?ii au оnceput s?

vorbeasc? despre posibilitatea unei noi c?i, fermentative, de sinteza

genei.

Pentru aceast? sintez? serve?te ca matri?? ARN-ul, care se elaboreaz? оn

celul? ?i prezint?, precum ?tim, o copie complementar? a unui fragment

anumit al ADN-ului. Dup? ce am separat acest ARNi, putem ob?ine prin

transcriere invers? o molecul? de ADN complementar? ei. Probabil c? ea va

fi o copie fidel? a genei ini?iale.

Primele experien?e reu?ite de sintetizare fermentativ? a genei au fost

efectuate оn laboratoarele din str?in?tate оn anul 1972.

Оn anul 1973 L. Chiseliov ?i L. Frolova, colaboratori la Institutul de

biologie molecular?, precum ?i C. Gazarean ?i V. Tarantul de la Institutul

de energie atomic? «Curceatov», dirija?i de academicianul V. A. Enghelgard,

au ob?inut partea informatic? a genei, globina, utilizвnd matri?a ARNi-ului

globinic din celulele porumbelului.

Оn acest timp оn cadrul proectului «revertaza» a activat ?i un alt grup

de savan?i - V. Cavzan ?i A. Rвndici de la Institutul de biologie

molecular? ?i genetic? al A? Ucrainene, care au reu?it ?i ei s? sintetizeze

gena globin?, utilizвnd drept matri?? ARNi-ul globinic al iepurelui de

cas?, nu al porumbelului.

Оn anul 1979 s-au soldat cu succes lucr?rile de sintetizare a genelor de

bradichinin?, datorit? eforturilor comune ale savan?ilor de la Institutele

de genetic? general? ?i de chimie bioorganic? ?i de anghiotenzin? - de

c?tre savan?ii Institutului de citologie ?i genetic? al A? a Federa?iei

Ruse.

Оn anul 1981 la Institutul de biologie molecular? un grup de colaboratori

(S. Deev, N. Barbacari, O. Poleanovschii ?. a.) au sintetizat ?i au

transferat оntr-o celul? bacterian? o gen? care codifica una din catenele

u?oare ale imunoglobulinei. Mai tвrziu оn ?ara noastr?, cвt ?i оn

laboratoarele str?ine au fost sintetizate multe gene: a somatostatinei,

somatotropinei, insulinei, interferonului ?. a. care ?i-au g?sit aplicare

larg? оn practic?.

10.4 Clonarea genelor

Genele separate din alte organisme sau sintetizate artificial pe cale

chimic?. fiind transferate оn celule noi, nu sunt оn stare s? se reproduc?

nici s? se transmit? descenden?ei acestor celule. Acest lucru se poate

ob?ine, dac? ele se vor introduce оn prealabil оn componen?a structurii

genetice, care are un aparat propriu de reproducere. Оn ingineria genetic?

aceast? structur? este cu adev?rat figura central? оn toate manipul?rile

ingineriei genice. poart? numele de vector, sau «transportor».

Vectorul este o molecul? de ADN capabil? s? transfere оn celul? o gen?

str?in? ?i s? asigure acolo оnmul?irea ei, sintetizarea produsului proteic

?i оncorporarea оn cromozom.

De cele mai multe ori оn calitate de vector sunt utilizate plazmidele

bacteriilor, virusurile bacteriilor (bacteriofagii) ?i virusurile

animalelor, precum ?i cosmidele, care con?in elemente genetice ale

plazmidelor ?i ale bacteriofagilor.

Molecula-vector trebuie s? aib? capacitatea de replicare autonom? ?i s?

con?in? anumite gene de semnalare (marcatori), bun?oar? gene de rezisten??

la antibiotice, care permit descoperirea ?i identificarea celulelor

modificate.

Plazmidele sunt larg r?spвndite оn lumea bacteriilor. Sunt, precum s-a

notat mai sus, mici molecule inelare de ADN, care se afl? оn celulele

bacteriale. Poate fi o molecul? sau cвteva. Plazmida con?ine genele

necesare pentru reproducerea ADN-ului ?i genele rezistente la antibiotice,

de exemplu la ampicilin? ?i tetraciclin?, precum vedem оn fig. 22.

Оn interiorul acestor gene se afl? fragmente pe care le recunosc

restrictazele. Asemenea fragmente exist? bineоn?eles ?i оn alte locuri ale

plazmidei, dar cele din interiorul genelor de rezisten?? sunt deosebit de

importante, deoarece anume acolo se insereaz? ADN-ul str?in. Gena este

v?t?mat? ?i bacteria care con?ine o astfel de molecul? hibrid? devine

incapabil? s? opun? rezisten?? ac?iunii antibioticicor. Aceast?

particularitate permite selectarea pentru оnmul?irea continu? numai a

bacteriilor care con?in molecula hibrid? sau molecula recombinant? de ADN.

A?a dar, moleculele recombinate con?in gene care trebuie оnmul?ite ?i

vectorii cu ajutorul c?rora se realizeaz? acest proces.

To?i vectorii plazmidici utiliza?i оn ingineria genetic? sunt crea?i pe

cale artificial? prin reunirea unor p?r?i aparte a diferitelor plazmide

naturale.

Unele plazmide au o particularitate foarte important?: dac? asupra

celulelor оn care exist? acest vector se va ac?iona cu antibioticul

cloramfenicol, оn ele num?rul copiilor de plazmid? va spori pвn? la 1-3

mii. Astfel se m?re?te doza genei necesare. ceea ce permite a se ob?ine

gena оncorporat? оn plazmid? (sau produsul acestei gene) оn mari cantit??i.

Dar cum se ob?ine o molecul? recombinat?? Cum se realizeaz? clonarea

(inserarea) genei str?ine оn plazmid?? Principalele opera?ii ale acestui

proces sunt indicate оn fig. 23.

Оn acest scop trebuie s? avem un ADN al plazmidei - vector (de exemplu P1

?i ADN-ul organismului care ne intereseaz?. ADN-ul plazmidic ?i cel str?in

este tratat cu restrictaz? (bun?oar? Bam1), dup? care la plazmid? оn gena

de rezisten?? fa?? de tetraciclin? se formeaz? o ruptur? ?i moleculele

inelare se transform? оn liniare. Apoi ambele preparate scindate ale ADN-

lui se amestec? unul cu altul ?i sunt tratate cu ligaz?. Fragmentele de ADN

se unesc ?i formeaz? plazmida recombinant? sau un ADN hibrid.

Dup? aceasta urmeaz? procedura de selectare a acestor molecule hibride:

tot amestecul de molecule prelucrate cu ligaz? se introduce оn celulele

bacteriale. Apoi aceste celule sunt a?ezate оntr-un mediu nutritiv solid cu

antibioticele ampicilin? ?i tetraciclin?. Celulele care con?in plazmida

hibrid? vor cre?te оn mediul cu ampicilin?, dar nu vor cre?te оmpreun? cu

ambele antibiotice, deoarece gena rezisten?ei din plazmida tetraciclinei a

fost defectat? de inser?ie.

Cre?terea selectiv? permite colectarea celulelor ce con?in molecula

hibrid? ADN. Оn continuare ele se оnmul?esc ?i ADN-ul recombinant, ob?inut

din ele оn cantit??i mari, este utilizat оn diferite scopuri.

A?a dar, din momentul introducerii ADN-ului recombinant оn celul? оncepe

clonarea molecular?, adic? ob?inerea urma?ilor moleculei recombinate,

create оn mod artificial. Оn acest scop pentru celulele transformate sunt

create condi?ii specifice оn vederea select?rii lor, ?inвndu-se seama de

marcatorii geneticii, care semnaleaz? prezen?a celulelor pentru selec?ie.

Drept urmare se ob?ine o tulpin? absolut omogen?, din care, оn dependen??

de scop, se separ? ori gena clonat?, ori produsul ei.

Acestea sunt оn linii generale bazele teoretice ale ingineriei genetice.

Ingineria genetic? face abia primii pa?i, dar de acum ast?zi putem vorbi

despre perspectivele aplic?rii realiz?rilor ei оntr-o serie de domenii din

sfera material?. Оn etapa actual? cea mai larg? aplicare o are ingineria

genetic? a microorganismelor.

XI. INGINERIA GENETIC? LA MICROORGANISMELE INDUSTRIALE

11.1 Activitatea enigmatic? a microorganismelor vii

La majoritatea oamenilor no?iunea de «microb» sau «bacterie» se asociaz?

оnainte de toate cu gravele boli infec?ioase, provocate de ei. Pu?ini оns?

cunosc activitatea cu adev?rat fantastic? a acestora, participarea extrem

de activ? a bacteriilor la procesul de formare a scoar?ei p?mвntului, la

formarea sedimentar?, z?c?mintelor de petrol, c?rbune, metale ?i a

celorlalte minerale utile

Pe uscat activitatea biologic? a bacteriilor a pus temeliile regnului

vegetal, inclusiv bazele agriculturii - solul roditor. Savan?ii consider?

c? solul este un laborator microbiologic al naturii.

Plantele agricole absorb din sol anual peste 110 mln tone de azot. Odat?

cu sporirea recoltei cre?te ?i consumul de azot de c?tre plante. Oamenii оi

restituie solului оn form? de оngr???minte minerale numai jum?tate din

azotul absorbit de plante, de aceea, dac? n-ar exista microorganizmele care

asimileaz? azotul din aer, lanurile ar fi de mult sec?tuite

Un mare aport оn fondul «azotului biologic» оl aduc оn primul rвnd

bacteriile care tr?iesc оn nodozitd?ile de pe r?d?cinile plantelor

leguminoase. Tocmai ele fixeaz? azotul liber ?i оl transmit plantelor. Cele

mai bune culturi de bacterii radicicole sunt utilizate la prepararea

nitraginei - оngr???mвnt bacterial care este introdus оn sol оmpreun? cu

semin?ele leguminoaselor pentru a intensifica fixarea azotului din

atmosfer?.

La fabricile industriei microbiologice bacteriile ?i drojdiile se

utilizeaz? cu succes la fabricarea unui produs nutritiv de valoare - a

concentratului de protein?-vitamin?. Savan?ii se st?ruie cu insisten?? s?

creasc? prin metodele ingineriei genetice ni?te microbi оn stare s?

«m?nвnce» petrolul ?i consider? aceste organisme drept prieteni, nu

du?mani, deoarece ele vor ajuta la purificarea suprafe?ei m?rilor ?i

oceanelor de petrolul care ar nimeri оn ele оn cazurile de avariere a

petrolierelor. Academicianul A. A. Im?ene?chii consider?, pe bun? dreptate,

c? оmp?r?irea microbilor оn microbi d?un?tori ?i microbi utili, оn microbi

buni ?i microbi r?i este foarte conven?ional? ?i nu totdeauna just?. F?r?

activitatea gigantic? a acestor sanitari, inaccesibili ochiului nostru, apa

?i p?mвntul demult ar fi acoperi?i cu resturi de plante ?i cadavre ale

animalelor ?i pe?tilor.

Оn lumea microbilor au fost descoperite fenomene noi, cu totul

nea?teptate, cu adev?rat «minunate» S-a constatat, bun?oar?, c? bacteriile

elimin? оn mediu ambiant ?i asimileaz? din el unele gene ?i chiar blocuri

оntregi de gene sub form? de fragmente de ADN. A?a se realizeaz? metoda de

schimb de informa?ie ereditar? оntre microorganismele necunoscute оnainte

?i оntre cele ce apar?in speciilor оndep?rtate.

Majoritatea covвr?itoare a microorganismelor descoperite pвn? оn prezent

ne sunt prietine, оn anumite condi?ii ele pot fi utilizate cu eficacitate

оn interesele omului. Important este s? fie utilizate «la maximum» formele

de microorganisme produc?toare de protein? ?i de substan?e cu activitate

biologic? atвt de necesare pentru medicin?, agricultur?, diferite ramuri

ale industriei, precum ?i de microorganisme capabile s? extrag? metale

neferoase, nobile ?i rare, s? distrug? resturile de pesticide, de?eurile

materialelor sintetice care polueaz? mediul ambiant.

Оn anii r?zboiului al doilea mondial frontul ?i spatele frontului aveau

nevoie de substan?e medicamentoase antimicrobiene de mare eficien??.

Medicii ?tiau c? оnc? оn anul 1929 microbiologul englez A. Fleming a

descoperit c? ciuperca de mucegai, penicilium, secret? ni?te substan?e

nimicitoare pentru bacterii ?i care nu sunt d?un?toare pentru celulele

omului ?i animalelor. Оn anul 1941 savan?ii de la Universitatea din Oxford

(SUA) au creat pe baza acestor date primul preparat antibiotic penicilina,

despre оnsu?irile lui t?m?duitoare circulau legende.

Microbiologii din fosta URSS n-au avut la dispozi?ie o tulpin? (o

cultur?) asem?n?toare de ciuperc? de mucegai care s? produc? penicilina. S-

au оnceput c?ut?ri оndelungate ?i dificile pentru a g?si un produc?tor

propriu 3. Ermoleva ?i T. Balezina, colaboratoare la Institutul unional de

medicin? experimental?, controlau pe rвnd activitatea biologic? a

diferitelor probe de ciuperc? de mucegai ?i numai una dintr-o sut? de probe

- penicilium crustozum s-a dovedit a fi potrivit?. Ea a devenit

«produc?torul» preparatului de penicilin?.

Оn anul 1944 dintr-o alt? cuperc?-actinomicet? a fost separat?

streptomicina. Acest antibiotic a devenit pentru mult timp substan?a

medicamentoas? fundamental? contra multor boli: tuberculoz?, pest?,

tularemie, bruceloz? ?. a. Оn multe ??ri au fost organizate lucr?rile оn

vederea c?ut?rii de noi specii de actinomicete, produc?toare de

antibiotice. Dac? pвn? la descrierea streptomicinei microbiologii cuno?teau

35 de specii de actinomicete, оn prezent se cunosc sute de acestea.

Astfel pe parcursul studierii resurselor inepuizabile ale

microorganismelor s?lbatice (naturale), microbiologii asemeni geologilor,

care efectueaz? lucr?rile de explorare a minereurilor utile, caut? ?i

g?sesc mereu noi specii ?i tulpini de bacterii, ciuperci, virusuri cu

caractere ?i оnsu?iri utile, descoper? capacit??ile ?i «talentele» lor.

Dintre aceste ciuperci fac parte ?i ni?te organisme monocelulare enigmatice

- drojdiile.

La multe fabrici de drojdii furajere sunt instalate aparate ce produc 28-

30 tone de mas? biologic? uscat? pe zi. O ton? de drojdii con?ine

aproximativ 500 kg de protein? digerabil?. Prin urmare, оn fiecare dintre

aceste aparate (fermentiere) se formeaz? оntr-o zi aproape 15 tone, iar

оntr-un an 4-5 mii tone de protein? digerabil? de оnalt? calitate. Este

mulg sau pu?in?

Un fermentier este egal ca productivitate cu aproximativ 4-5 complexe de

cre?tere a porcilor a cвte 100 mii de porci fiecare. Aceste cifre

demonstreaz? conving?tor ce prezint? sinteza microbian?, cвt de mare este

intensitatea ?i productivitatea ei.

E de la sine оn?eles c? drojdiile nu au calit??ile c?rnii de vit? sau ale

celei de porc. Din ele nu se pot prepara biftecuri. Dar nutre?urile оn care

se adaug? drojdii ?i alte substan?e microbiologice - vitamine, fermen?i,

aminoacizi - fac minuni. Animalele tinere devin mai s?n?toase, mai

puternice, cresc ?i se dezvolt? mai repede, spore?te prolificitatea

femelelor, se ridic? sporul оn greutate, iar termenele de оngr??are se

reduc. Proteina ce se con?ine оn drojdii este doar mai bine echilibrat? din

punct de vedere al componen?ei aminoacizilor (lizin?, metionin?, triptofan,

treanin?) indispensabili, decвt proteinele cerealierelor. Drojdiile de

nutre?, fiind un concentrat natural de protein?, vitamine ?i alte substan?e

biologice active, оntrec dup? valoarea lor biologic? cu mult boabele de

graminee. Se ?tie, c? dac? la un kilogram de gr?un?e de grвu se adaug?

numai patru grame de lizin?, 1,5 grame de treanin?, proteina acestei pвini,

conform valorii biologice, aproape nu se va deosebi de cazein? - proteina

principal? a laptelui.

Se mai ?tie c? animalele pot utiliza cu eficacitate numai o parte de

protein? din nutre? care este propor?ional? cu partea cea mai deficitar? a

aminoacidului indispensabil. De aceea dac? cel mai valoros component al

boabelor furajere - proteina - nu este echilibrat? dup? lizin?, organismul

animalelor o cheltuie?te nu pentru formarea de carne, lapte, ou? ?. a., ci

оn calitate de combustibil - pentru necesit??ile energetice, lucru ce nu

este deloc convenabil. Acela?i lucru se оntвmpl? dac? cerealele furajere

con?in o cantitate insuficient? de al?i aminoacizi - triptofan ?i treonin?.

Drojdiile оntrec mult dup? calit??ile lor nutritive toate celelalte

plante superioare. De aceea ele au g?sit o utilizare larg? оn calitate de

adaos furajer. Ele «se hr?nesc» cu pl?cere cu hidrocarburi de petrol,

purificвnd mediul ambiant de ace?ti poluan?i. Lista «bunelor servicii» ale

lumii fiin?elor invizibile poate fi continuat? la infinit. Industria de

producere a acestor celule vii are ca scop tocmai transformarea microbilor

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