Чем занимается клеточная инженерия
Методы клеточной инженерии
Клеточная инженерия — на чем основана
Клеточная инженерия – это совокупность технологий, приемов и методов конструирования клеток нового типа.
В рамках направления выполняют реконструкцию полноценной жизнеспособной клетки из нескольких фрагментов различных клеток, объединение генетического материала двух и более клеток, принадлежащих разным царствам и видам, в одной целой клетке.
В основе конструирования могут лежать такие принципы, как:
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
В отличие от генной инженерии, предметом исследования клеточной является не целый живой организм, а только клетки и состоящие из них ткани. Это представляется особенно важным в отношении человека и животных, когда получение отдаленных гибридов является не просто сомнительным, но и опасным, запрещенным.
Какими исследованиями занимается клеточная инженерия
Этот раздел науки является достаточно молодым и одним из наиболее перспективных, так как открывает биологам множество возможностей. В клеточной инженерии растений на данном этапе можно выделить три основных направления:
Задействована клеточная инженерия и в решении задач здравоохранения. Исследователи работают над регенерацией тканей, получением живых органов. Изучают возможность создания полноценно работающих участков кровеносной системы, выпуска способных бесследно исчезать хирургических нитей.
Методы и условия культивирования изолированных тканей и клеток растений
Успешное культивирование возможно при соблюдении четырех важнейших условий:
Всего из одной клетки можно получить клеточную массу, которая в биологии обозначается понятием «каллус», или целое растение. Для этого ученые используют такие методы, как:
Применяя такие методы, биологи получают возможность экспериментировать с новыми сортами, получать гибриды, недоступные в рамках традиционной селекции.
Области практического применения достижений клеточной инженерии
В области растениеводства достигнуты высокие результаты по выведению максимально продуктивных и практичных сортов. Из их описания видно, что растения устойчивы к:
Благодаря достижениям ученых, занимающихся клеточной инженерией, сельскохозяйственные предприятия осваивают такой способ размножения, как клонирование культур, выращивание здорового, не подверженного негативным изменениям генома урожая.
В сфере медицины работа идет над созданием тканей, которые смогут не просто устранить механические и физические погрешности, а полностью восстановят метаболические функции. При этом выращивание функционального материала производится вне человеческого организма.
Применение достижений клеточной инженерии на практике позволит производить замену не только сосудов, отдельных тканей, но и целых органов, к примеру, печени или селезенки. Значение такой возможности сложно переоценить, зная, насколько современный человек подвержен травмам и болезням.
КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Полезное
Смотреть что такое «КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ» в других словарях:
КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ — КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, конструирование специальными методами клеток нового типа. Клеточная инженерия включает реконструкцию жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, объединение двух целых клеток, принадлежащих различным видам (и … Современная энциклопедия
КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ — конструирование специальными методами клеток нового типа. Клеточная инженерия включает реконструкцию жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, объединение целых клеток, принадлежавших различным видам (и даже относящихся к… … Большой Энциклопедический словарь
Клеточная инженерия — КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, конструирование специальными методами клеток нового типа. Клеточная инженерия включает реконструкцию жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, объединение двух целых клеток, принадлежащих различным видам (и … Иллюстрированный энциклопедический словарь
клеточная инженерия — метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции; в узком значении – слияние протопластов. Один из разделов биотехнологии. (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа,… … Словарь микробиологии
клеточная инженерия — Метод конструирования клеток нового типа путем их гибридизации. [Англо русский глоссарий основных терминов по вакцинологии и иммунизации. Всемирная организация здравоохранения, 2009 г.] Тематики вакцинология, иммунизация EN сell engineering … Справочник технического переводчика
клеточная инженерия — конструирование специальными методами клеток нового типа. Клеточная инженерия включает реконструкцию жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, объединение целых клеток, принадлежавших различным видам (и даже относящихся к… … Энциклопедический словарь
клеточная инженерия — cell engineering клеточная инженерия. Kомплекс методов конструирования клеток с новыми свойствами, включающий методы культивирования in vitro, клеточной гибридизации и генной инженерии, базовым подходом является… … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.
клеточная инженерия — ląstelių inžinerija statusas T sritis augalininkystė apibrėžtis Somatinių ląstelių hibridizacija ir atskirų organoidų perkėlimas iš vienų ląstelių į kitas. atitikmenys: angl. cell engineering rus. клеточная инженерия … Žemės ūkio augalų selekcijos ir sėklininkystės terminų žodynas
КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ — конструирование спец. методами клеток нового типа. К. и. включает реконструкцию жизнеспособной клетки из отд. фрагментов разных клеток, объединение целых клеток, принадлежавших разл. видам (и даже относящихся к разным царствам р ниям и ж ным), с… … Естествознание. Энциклопедический словарь
инженерия и инжиниринг — Вопрос Как правильно: «инженерия данных» или «инжиниринг данных»? Инжене/рия 1) устарелое: инженерное искусство, инженерное дело; 2) разг. устарелое: профессия, специальность инженера; 3) целенаправленное конструирование новых, не… … Словарь трудностей русского языка
Клеточная и генная инженерия, клонирование
Содержание:
Современные направления биотехнологии предполагают внедрение в клетку, в процессы метаболизма, перестройку генов. За использованием подобных манипуляций стоит желание человека добиться создания необходимых продуктов питания и химических веществ. Биотехнология – наука затратная, которая требует не только финансовых вложений, но и фундаментальных знаний в области биологии.
Клеточная инженерия
Клеточная инженерия предполагает создание клеток нового типа путем их культивирования, гибридизации и реконструкции. Клетки видоизменяют, вводя в них новые хромосомы, ядра, клеточные органоиды.
Направления деятельности клеточной инженерии
Клеточная инженерия научилась культивировать (выращивать) изолированные клетки и ткани на специально подобранной питательной среде в контролируемых условиях (влажность, температура, освещенность). Из одной клетки таким путем получают полноценное растение или клеточную массу (каллус). Такие эксперименты проводят благодаря способности растительной клетки к регенерации и чаще всего применяют для с/х растений и лекарственных трав.
Селекция и клеточная инженерия относятся к неразделимым понятиям. В селекции применяют новые, не стандартные методики:
Такие способы позволяют экспериментировать и создавать новые гибриды и сорта, которые невозможно получить традиционными путями, используя только методы селекции.
Генетическая инженерия
Генетическая инженерия относится к разделу молекулярной биологии, которая предполагает внедрение «скальпеля» в геном клетки и его перестройку, создание организмов с новой генетической программой по заранее продуманному плану. Основные направления деятельности генной инженерии – это перестройка генотипов и пересадка генов.
Научные работы проводятся с молекулами ДНК, которые внедряют в новую клетку. ДНК начинает размножаться и «отслеживать» синтез нужных человеку соединений по заданной программе.
Генная инженерия, соединив достижения химии и генетики, помогает:
Внедрение гена из одного организма в другой требует выполнение цепочки последовательных действий:
Выращены трансгенные животные, содержащие геном с не родными генами. Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы. Они содержат ДНК, в которой работают чужеродные гены разного происхождения. Животные и растения в качестве наследственного материала получают гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека.
Важно! Трансгенные организмы устойчивы к факторам внешней среды, вредителям и болезням, наделены теми чертами, которые запрограммировал в них человек.
Клонирование
Слово «клонирование» применялось при бесполом размножении организмов. Сейчас этот термин приобрел иную направленность. Это создание копий генов и клеток в лабораторных условиях. При бесполом размножении полученные экземпляры живых организмов являются точной копией исходного материала. Но это возможно не всегда: рожденные «в пробирке» искусственные эмбрионы подвержены мутациям. Это значит, что у них развивается наследственная изменчивость.
К сведению: Иногда клонирование путают с искусственным оплодотворением, когда оплодотворенную яйцеклетку вводят в матку будущей матери (родной или суррогатной). Это метод решения проблемы бесплодия, но он не относится к клонированию.
Что такое клеточная инженерия? Генная и клеточная инженерия
С давних пор человек мечтал о том, чтобы разводимые им животные были больше, выносливее и продуктивнее. Чтобы выращиваемые им сельскохозяйственные культуры вызревали в кратчайшие сроки, не поражались вредителями и болезнями, росли даже в условиях пониженных температур окружающего воздуха и отсутствия регулярных дождей.
Основные технологии
Основным методом достижения таких результатов является клеточная инженерия. Наиболее детально все ее приемы отработаны на некоторых микроорганизмах. Вообще, дальнейшие возможности и перспективы данного направления попросту необъятны. На данный момент ведутся углубленные разработки по выделению отдельных генов, которые и можно встраивать в организм. Проще говоря, можно будет создавать домашних животных и растения, которые бы обладали строго определенным набором признаков и имели требуемый внешний вид.
Не стоит забывать и о том, что клеточная инженерия микроорганизмов сделала реальным получение «многофункциональных» бактерий, которые, к примеру, могут биологическим путем разлагать полиэтилен. Кроме того, модифицированные бактерии – идеальный материал для производства вакцин. Они вполне могут быть абсолютно безопасными (что позволяет применять «живые» препараты) из-за полностью отсутствующей вирулентности, но обладать всем набором антигенов своих «диких» предков.
Методы клеточной инженерии
Всем растительным клеткам присуще свойство тотипотентности (это когда отдельная клетка может развиться в целый организм). В сельском хозяйстве это дает неограниченные перспективы в экспериментах по выведению новых видов полезных человеку культур. Весьма перспективна клеточная инженерия в животноводстве. В настоящее время ученые имеют громадный опыт по накоплению и хранению соматических клеток разнообразных пород животных in vitro. Особенно это касается хранения материала в условиях низких температур.
Кстати, а какие существуют методы клеточной инженерии животных? Давайте их обсудим.
Разделение эмбрионов на ранних стадиях
На сегодняшний день особенно перспективен метод разделения ранних эмбрионов. Первый толчок этому направлению дала начавшая развиваться трансплантология, методы которой позволили сохранять большое количество полученных эмбрионов. Вообще, первый удачный опыт по разделению зародышевого материала на стадии 2—8 был проведен Виллардом (в английском Кембридже). Недостаток такого метода в его трудоемкости, из-за чего данная операция может быть выполнена только в условиях хорошо оснащенного медицинского учреждения.
Проще говоря, это чрезвычайно сложная биотехнология. Клеточная инженерия в наше время использует куда более простые методы.
Позднее разделение зародышей
Так, ученые начали манипулировать зародышевым материалом только на более поздних стадиях (морула, бласто-циста). Сущность метода состоит в том, что сперва вскрывается прозрачная зона (pellucida), после чего эмбрион аккуратно разделяется надвое. Одна половинка остается на прежнем месте, в то время как вторую часть переносят в заранее подготовленную зону.
Первыми в этих опытах были американские ученые. Именно они сделали вывод, что если лишить эмбрион прозрачной оболочки, то он выживает не более чем в 15% случаев, но если слой пеллюцида сохранить, то выживаемость сразу увеличивается до 35% случаев. Наиболее оптимальные результаты получаются в том случае, если у каждой половинки разделенного эмбриона есть прозрачная оболочка и каждую часть вводят в отдельный рог матки: в современных условиях выживает до 75% эмбрионов.
Но для каких целей используется клеточная инженерия на практике? Какие результаты получают с ее помощью?
Значение клеточной инженерии в племенном деле
На сегодняшний день эта методика все более активно начинает использоваться в международном племенном деле. Сравнительно недавно была успешно опробована методика получения и внедрения эмбрионов у свиней. Исследователи считают, что клеточная инженерия может позволить увеличить количество потомков одного животного минимум на 30—35%. Но не стоит забывать и о возможности получения генетических копий.
Такие животные едва ли не на вес золота для тех ученых, которые изучают взаимодействие окружающей среды и генотипа. Дело в том, что наличие двух совершенно одинаковых особей позволяет свести к минимуму влияние внутренних факторов при изучении влияния внешней среды на организм. Кроме того, можно производить забой одного животного из пары в том случае, если для исследования требуются данные о внутреннем состоянии организма.
Все эти разработки – основные методы клеточной инженерии. Но мы забыли рассказать о важнейшем направлении этой отрасли наук, связанном с искусственной регуляцией пола сельскохозяйственных животных. Пора исправить этот недочет.
Методы регуляции пола
Конечно же, в идеале стоило бы попросту разделять спермии, которые несут Х- и У-хромосомы. Именно в этом направлении и должны развиваться исследования. Другой подход (который куда проще, а потому используется) состоит в том, чтобы извлекать ранние эмбрионы из репродуктивной системы самок, определять их пол, а затем производить их трансплантацию.
Но как ко всему этому относятся методы клеточной инженерии? Все достаточно просто.
Все дело в цитологическом методе, при помощи которого определяют тип эмбриона XX или XY. Делается это посредством изучения хроматина или же половых хромосом. В последние годы также выяснено, что выяснить пол можно, изучив специфические антитела, которые у самок и самцов совершенно разные. Есть также мнения некоторых ученых, что установить гендерную принадлежность можно, изучив активность глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы. Впрочем, в настоящее время наиболее эффективны цитологический и иммунологический (изучение антител) методы.
Генная инженерия
В названии данной статьи неслучайно используется словосочетание «генная и клеточная инженерия». Какими бы эффективными ни были методы коррекции клеточного материала, работа непосредственно с генами всегда будет намного более эффективной.
В настоящее время именно генетические методы постепенно завоевывают лидирующую роль в животноводстве и растениеводстве всего мира. Благодаря им селекционная работа вышла на принципиально иной уровень: отныне ученые могут не просто предполагать, какими именно качествами будет обладать создаваемая ими особь, но знать это наверняка.
Нужно сразу заметить, что все не так уж и хорошо. Имеются некоторые ограничения. Дело в том, что к генетическим манипуляциям допускается только генетический материал быков, которые могут улучшать свое потомство (улучшатели). Проблема только в том, что таких животных на сегодняшний день чрезвычайно мало. Кроме того, программы, направленные на искоренение того же мастита, пока что видимых результатов не дают. Проще говоря, генная и клеточная инженерия – далеко не панацея.
Сравнительно недавно учеными был создан метод переноса ядра после слияния кариопластов. Кроме того, методы генной и клеточной инженерии уже сейчас позволяют создавать химерические организмы на основе различных видов мекопитающих.
Гарднером вскоре был разработан принципиально новый метод, при котором производится имплантация бластомеров в бластоцисты реципиента. Бутлером данная методика была успешно отработана на лабораторных мышах. Именно на основании данных разработок впервые были получены химеры на основе организма овец.
Все описанные выше работы постепенно готовили мировую сельскохозяйственную науку к широкому внедрению методов генной инженерии. Наиболее распространенным методом на сегодняшний день является перенос генного материала в культивируемые клетки с последующим их внесением в бластоцисту.
Но перед тем как мы разберемся с некоторыми аспектами этой технологии, стоит ответить на важный вопрос. Точнее, обсудить отличие генной инженерии от клеточной. В общем-то, здесь все достаточно просто: если в первом случае ученые оперируют непосредственно генетическим материалом, то при использовании «клеточных» методов для работы берутся целые органоиды и участки клеток, которые имплантируются в материал реципиента.
Развернутое определение
Так в чем состоит суть генной инженерии? В середине 70-х годов прошлого века ученые сделали сенсационное открытие. Они выяснили, что некоторые микробные ферменты способны разрезать молекулу ДНК в необходимом месте. Проще говоря, появилась уникальная возможность получать генетический материал со строго заданными свойствами.
Проще говоря, выделенный ген из организма донора нужно перенести в организм реципиента, для которого он является чужим. Главное в работе исследователей – не просто добиться его приживления, но и создать такие условия, при которых он будет нормально реплицироваться.
Работа с зиготой
Впрочем, в последние годы не меньшее распространение получила методика, при которой чужеродные гены инъецируют в пронуклеус зиготы животных. Впервые этот способ был апробирован на ооцитах озерных лягушек: сперва в них вводилась определенная ДНК, причем учеными сразу были отмечены интеграция и транскрипция. В 1981 году впервые был проведен интереснейший эксперимент, в ходе которого ген гаммаглобулина кролика был внесен в зиготу мыши.
Ген при этом имел вид длинного геномного тандема, содержащего стабильные участки. Любопытно, но правильно транскрибировались они только при том условии, если в них совершенно не было плазмидных компонентов. Проявление генов, которые были встроены с использованием этого метода, было подробнейшим образом изучено на лабораторных мышах.
За один год до экспериментов с зиготой мыши, в 1980 году, в пронуклеус все той же мышиной зиготы поместили плазмиду pBR322, в которой содержались фрагменты вирусов SK40 и HSV. В результате ДНК вируса была найдена у трех мышей из 78 особей, которые участвовали в эксперименте. Как ни странно, но при инъекции гена гаммаглобулина человека его интеграция наблюдалась уже у пяти мышей из 33 особей (более 15%). Этот опыт уже тогда доказал, что создание химерических организмов, которые бы сочетали в себе черты сразу нескольких видов, вполне реально.
Бринстер и его последователи с учениками произвели трансплантацию в пронуклеусы зигот мышей специально подготовленной конструкции, в состав которой входил металлотионеин мыши, а также ген тимидинкиназы. В этом случае полная интеграция была отмечена уже у 17% лабораторных животных.
Основные выводы
В настоящее время генная инженерия наконец-то стала перспективной, обсуждаемой отраслью науки. Об этом знают практически все. Но в чем же состоят задачи клеточной инженерии и работы с генетическим материалом? О, они весьма разнообразны.
Во-первых, перед учеными всего мира стоит задача усмирения, снижения голода на всей планете. Методы генной и клеточной инженерии делают вполне реальным создание таких сортов растений и видов животных, продуктивность которых будет в десятки раз превышать таковую у их диких предков.
Специалисты говорят, что именно методы генной инженерии уже в ближайшем будущем позволят не только диагностировать на предельно ранних сроках беременности генетические болезни (синдром Дауна, к примеру), но и эффективно их лечить!
Клеточная инженерия
Клеточная инженерия – это синтез инженерии с миром стволовых клеток, который стал за последнее десятилетие важной областью исследований и применения. Виды деятельности, которые являются частью этой сферы, варьируются от базовых исследований стволовых клеток до разработки моделей, инструментов, соответствующих технологий, продвижения биопродукции стволовых клеток и разработки продуктов и приложений на их основе. Таким образом, существует множество методов клеточной инженерии, с помощью которых инженеры и инженерные подходы могут внести вклад, как в развитие исследований стволовых клеток, так и в перевод базовой биологии стволовых клеток в терапию и коммерческое применение. В 2008 году в Коронадо, Калифорния, состоялась первая Международная конференция по разработке технологий стволовых клеток. Кроме того, в результате растущей важности этой темы (стимулируемой Международной конференцией по инженерии стволовых клеток 2010 года), Национальный научный фонд (NSF) при дополнительной поддержке со стороны Национального института стандартов и технологий, Национального института рака и Национальных институтов здравоохранения, профинансировал глобальную оценку разработки стволовых клеток. Это исследование проводилось Всемирным центром оценки технологий (WTEC), его цель состояла в том, чтобы сравнить НИОКР с деятельностью в этой сфере в глобальном масштабе, и в качестве первого шага – выявить пробелы и барьеры, основные инновации, возникающие в глобальном масштабе, и проанализировать возможности для глобального сотрудничества. Основная цель всего этого – направлять будущие инвестиции в те агентства, которые финансировали это исследование.
Клеточная тканевая инженерия
Вслед за исследованием WTEC, в июле 2013 года был проведен семинар в Сономе, Калифорния, который также финансировался NSF. Его тема – «Новые направления в тканевой инженерии и регенеративной медицине»; тем не менее, акцент здесь также был на разработке стволовых клеток. В дополнение к отчету, представленному NSF, в журнале Science Translational Medicine была опубликована редакционная статья с изложением рекомендаций, вытекающих из этого семинара. В этой редакционной статье авторы отмечают, что привлечение инженеров и инженерных подходов приведет к следующим результатам:
Эти результаты будут способствовать росту биоэкономики 21-го века во всем мире.
Клеточная инженерия: применение
Когда мы смотрим в будущее, мы понимаем, что клеточная инженерия включает в себя много способов, с помощью которых инженеры и инженерные подходы могут способствовать общему прогрессу в наших знаниях о стволовых клетках и разработке приложений на их основе. В контексте фундаментальных исследований, как уже отмечалось, инженерия приносит необходимую информацию по количественному анализу изучения стволовых клеток и их функциях. Инжиниринг также дает системную перспективу и возможность проводить как анализ, так и синтез. Кроме того, в настоящее время признано, что не только микросреда стволовых клеток является очень сложной, но в дополнение к сигналам, которые являются биохимическими по природе, существуют не менее важные биофизические сигналы. Абсолютно важной проблемой является понимание возникающего поведения интегрированных сотовых систем, начиная с популяции стволовых клеток, которые могут стать интегрированной клеточной системой с различными типами клеток, необходимыми для формирования ткани или органа, заканчивая интегрированной клеточной системой, которой даже не существует в природе.
Применение такого понимания поможет в разработке так называемых моделей «орган-на-чипе», основанных на клетках человека. Это революционизирует разработку новых лекарств, предоставляя клеточную систему человека для исследований, начиная от токсичности до предварительной оценки эффективности. Понимание возникающего поведения интегрированных клеточных систем также может привести к появлению биологических машин, тех, которые даже не существуют в природе (например, область клеточной инженерии и клонирования), и тех, которые будут основаны на стволовых клетках и могут выполнять значимую полезную функцию.
Технологии клеточной инженерии
Принимая во внимание необходимость привлечения инженеров и инженерные подходы практически во всех областях применения стволовых клеток, можно прогнозировать увеличение числа людей, работающих в этой сфере. Несмотря на то, что в этой дискуссии были выделены некоторые области для будущих исследований и разработок в области инженерии стволовых клеток, несомненно, будет много других областей, которые будут исследованы следующими поколениями в области тканевой инженерии и регенеративной медицины.
Вы можете обсудить эту статью на нашем форуме, достаточно нажать на кнопку ниже.