Клонування. Матеріал для 11 класу.

 

Клонування тварин: історія та експерименти

Клонування – метод одержання декількох ідентичних організмів шляхом безстатевого (в тому числі вегетативного) розмноження.

Організм, одержаний методом клонування назівається клон. Термін “клон” був вперше використаний в 1903 році Веббером (Webber, Німеччина) стосовно до рослин, розмножується вегетативно, і означав, що дочірні рослини клону генетично ідентичні материнському.

Термін «клон» походить від грецького слова «klon», що означає гілочка, втеча, нащадок і має відношення, перш за все до вегетативного розмноження. Строго кажучи, навіть вегетативне розмноження мікроорганізмів розподілом можна назвати клонуванням.

Історія досліджень

Ще в 1901 році Хансу Шпеману   вдалося клонувати саламандру, розділивши зародок навпіл.
Далі клонування методом підсажування ядра в соматичну клітину довів Дж. Гердон, англійський біолог, який першим зумів отримати клоновані ембріони шпорцевих жаб. Він випалював ультрафіолетом ядра ікринок і потім підсаджував в них ядра, виділені з клітин епітелію пуголовків цього виду. Більша частина отриманих таким чином ікринок гинула, і лише зовсім маленька їх частка (2,5%) розвивалася в пуголовків. Дорослих жаб отримати таким чином не вдавалося. Тим не менше це був успіх.

 Більш широкі дослідження, що охоплюють не тільки амфібій, але і риб, а також дрозофіл, в 1962 р. були розпочаті англійським біологом Дж. Гордоном. Він першим досліджував південноафриканських жаб(Xenopus laevis).  В якості донора ядер використав не зародкові клітини, а вже цілком спеціалізувалися клітини епітелію кишечнику плаваючого пуголовка.
Потім Гердон разом з Ласки (1970) стали культивувати in vitro (поза організмом у живильному середовищі) клітини нирки, легені і шкіри дорослих тварин і використовувати вже ці клітини в якості донорів ядер. Приблизно 25% первинно реконструйованих яйцеклітин розвивалися до стадії бластули. При серійних пересадках вони розвивалися до стадії плаваючого пуголовка.

Пересадки ядер у ссавців почалися пізніше, в 80-х роках.

Це було пов’язано з технічними труднощами, так як зигота ссавців має невеликі розміри. Наприклад, діаметр зиготи миші приблизно 60 мкм, а діаметр заплідненої яйцеклітини жаби близько 1200 мкм, тобто в 20 разів більше .
Незважаючи на перераховані труднощі, перші повідомлення про отримання клонів мишей, ідентичних донору, з’явилися вже в 1981 році. В якості донора були використані ембріональні клітини однієї з ліній мишей, взяті на стадії бластоцисти. Через кілька років Дж. Мак Грат і Д. Солтер також досягли успіху.
У цих експериментах клони мишей вдавалося отримати лише в тому випадку, якщо трансплантували ядра ембріонів на стадії не пізніше 2 бластомерів. Ці та багато інших даних показують, що в ембріогенезі у мишей клітинні ядра рано втрачають тотипотентність, що пов’язано очевидно, з дуже ранньої активацією геному зародка – вже на стадії 2-х клітин. У інших ссавців, зокрема, у кроликів, овець і великої рогатої худоби, активація першої групи генів в ембріогенезі відбувається пізніше, на 8-16-клітинної стадії.
Аж до середини 90-х років питання про використання дорослих ссавців в якості донорів ядер клітин практично не ставилося, оскільки вчені-біологи займалися головним чином клонуванням ембріонів домашніх тварин, причому експерименти в цій області і по цю пору проходять вельми непросто і з високим рівнем недач .

Тому воістину сенсацією стала історія з клонуванням в 1996 році знаменитої нині овечки Доллі в шотландській фірмі PPL Therapeutics (комерційного відділення Розлін Інституту в Единбурзі).

Колектив вчених, очолюваний Єном Уилмут, продемонстрував, що їм вдалося, використовуючи соматичні клітини дорослої тварини, отримати клональну тварину- вівцю на прізвисько Доллі.

Однак цьому передувала велика робота.
Ще в 1986 році Уиландсин показав, що ембріони овець на 16-клітинній стадії розвитку зберігають тотіпотентность. Реконструйовані яйцеклітини, які містять ядра бластомерів 16-клітинних зародків, розвивалися нормально до стадії бластули в перев’язаному яйцепровід вівці (в агаровом циліндрі), а після звільнення з агару, пересаджували в матку вівці- другого реципієнта – ще на 60 днів. В іншому випадку донорами служили ядра 8-клітинних зародків і були отримані три живих ягняти, фенотип яких відповідав породі овци- донора.

У 1989 році Сміт і Уилмут трансплантували ядра клітин 16-клітинного ембріона і ранньої бластули в позбавлені ядра незаплідненої яйцеклітини овець. У першому випадку було отримано два живих ягняти, фенотип яких відповідав породі овець – донорів ядер. У другому випадку один повністю сформувався, а інший загинув під час пологів.
Його фенотип також відповідав породі-донору. Автори вважали, що в ході диференціювання ембріональних клітин відбувається інактивація деяких важливих для розвитку генів і в результаті ядра бластули вже не можуть репрограммироваться в цитоплазмі яйцеклітини і забезпечити нормальний розвиток реконструйованого зародка.
Пізніше, в 1993-95 рр., група дослідників під керівництвом профеесора Уілмута отримала клони овець – п’ять ідентичних тварин, донорами ядер яких була культура ембріональних клітин.

Для чого ж використовувати клонування і навіщо воно потрібно?

Репродуктивне клонування може дозволяти дослідникам клонувати тварин з потенційною вигодою для галузей медицини і сільського господарства. Наприклад, ті ж самі Шотландські дослідники, які клонували Доллі, клонували іншу вівцю. Вона була генетично модифікована, щоб давати молоко, яке містить  основу людського білка для покращення крові.

Так само можна використовувати тварин для того щоб тестувати на них нові види ліків і звичайну продукцію, призначену для людини. Велика перевага використання клонованих тварин для перевірки на таблетки полягає в тому, що всі вони є генетично ідентичними, що означає, що їхня реакція на таблетки повинна бути більш менш схожою, ніж у тварин з різним генетичним набором.
Іншою причиною для клонування може служити те, що існують популяції тварин, які стоять на межі вимирання. У 2001 році саме з цієї причини учені зробили перший клону, підданого небезпеки вимирання – азіатського вола.

Дитинча, який розвивався в матці у своєї мами-заступника загинув всього лише через три дні після свого народження. Цей досвід був перейнятий і вже через два роки, у 2003 році, учені створюють клон особини вола, так само стоїть на межі зникнення.

Перспективи

Звичайно, клонування має свої перспективи. Адже генна інженерія розвивається і можливо у майбутньому вчені зведуть смертність клонів до мінімуму, зменшать затратність даного процесу. Наразі тема “клонування” залишається зависшою у повітрі. У більшості країн Європи клонування, навіть вимираючих тварин, заборонено через проблему етичності. США не так критично ставиться до клонування організмів за добрих намірів. В Китаї клонування тварин використовують на повну для збільшення кількості рогатої худоби, а також домашніх улюбленців.

Проте, розробки і дослідження у всьому світі ведуться з обережністю, аби не порушити етичні права та норми суспільства.

Біотехнології. Клітинна інженерія та клонування

Біотехнологія та перспективи людства. За визнанням багатьох авторитетних учених, XXI ст. повинно стати століттям біотехнології та генетики. Це викликанотим, що застосування біологічних властивостей і процесів у промисловості є більшперспективними, ніж просто використання традиційних способів виробництва, щобазуються на технологіях, розроблених за законами й правилами фізики та хімії. Зазвичай у наш час під терміном «біотехнологія» розуміють різноманітні лабораторні маніпуляції з генетичним апаратом, які спричиняють появу нових клітин, з якихвиростають організми з потрібними властивостями. Однак не потрібно думати, щобіотехнологія — дітище лише сучасної науки. Термін «біотехнологія» запропонував угорський інженер Карл Ерек ще в 1917 р., коли описував процес виробництвасвинини. Отже, це значно ширше поняття, ніж генетична інженерія. Правильнимбуде вважати, що медицина, сільське господарство та харчова промисловість і навіть біологічна зброя — це не що інше, як різноманітні біотехнології. Отже, біотехнологія — це галузь знань, спрямована на використання живих організмів длярозв'язання важливих практичних завдань, що постали перед людством. Ця наукавикористовує знання генетики, екології, молекулярної біології, біохімії, ембріології,клітинної біології, а також прикладних дисциплін — хімічної, фізичної та інформаційної технологій, робототехніки.

Напрями біотехнології. Біологічні процеси завжди використовувалися людиною в практичних та промислових потребах. І це не лише одомашнення, вирощу-

вання чи розведення рослин і тварин, а й виробництво харчових продуктів. Адже випікання хліба, виготовлення кисломолочних продуктів, квасу чи пива, консервація м'яса чи виготовлення ковбаси — це справжні біотехнології, які людство опануваловже тисячі років тому (іл. 59.1).

Іл. 59.1. Випікання хліба (а), виготовлення квасу (б) та консервація м 'яса (в) — дуже давні біотехнології

Більш сучасними напрямами біотехнологій є отримання різних форм біопалива та створення штучного фотосинтезу з метою використання енергії Сонця в потребахлюдини. Дуже важливим напрямом завжди були медицина й охорона здоров'я — цевиготовлення найрізноманітніших ліків, профілактика захворювань, створення вакцин проти нових хвороб та препаратів, що запобігали б алергіям, тощо. Величезнізапити на нові біотехнологічні розробки існують від екологів, адже для очищеннябрудної води використовують бактерії, їжею яким може слугувати нафта, пестицидита інші забруднювачі середовища.

Особливості сучасних біотехнологій. Найсучасніші біотехнології мають певні ознаки, що відрізняють їх від традиційних. Голова відмінність та, що зараз під час створення нових технологій використовують штучно створені організми з новимибіологічними властивостями, які ніколи не існували в природі. Наприклад, створення сортів пшениці з генами бактерій, що дозволяють культурним рослинам бути резистентними до певних комах-шкідників, патогенних грибків або до дії гербіцидів(отрутохімікатів, які знищують бур'яни); створення бактерій з генами, що синтезують людський інсулін. Це можуть бути організми, що складаються з клітин зовсімрізних видів. За допомогою яких методів отримують таких дивовижних істот?

Існують два основні методи: клітинна інженерія — різноманітні дії з клітинами, які мають на меті одержання гібридних, химерних та клонових організмів: генетична, або генна, інженерія — різноманітні прийоми та методи, що дозволяють виводити певні гени з генетичного апарату одних організмів й уводити їх в інші.

Химерні організми. Одним з найбільш відомих напрямів клітинної інженерії є створення біологічних химер. У давньогрецькому міфі Химера (від грец. хімера —молода коза) — істота з левиною головою, козячим тулубом і хвостом дракона.

Зрозуміло, такого монстра породила людська фантазія, однак у біології прижилося таке поняття, як біологічна химера, або химерний організм.

Цей термін застосовують до організмів, що складаються з генетично різнорідних клітин, або, науковою мовою, — із соматичних клітин організмів, що беруть

свій початок від різних зигот (іл. 59.2). Незважаючи на «жахливу» назву, найчастіше химери — це добре відомі всім організми: дика яблуня, на яку прищеплена гілка певного сорту, й прекрасна троянда, щоквітне на корені шипшини. Химерою єяблуня, у крону якої прищеплена гілкагруші.

Крім таких «садових» химер, сучасна наука використовує химери, які отримують у лабораторних умовах.

Для цього за допомогою спеціальних маніпуляцій здійснюють гібридизацію клітин, тобто зливають дві клітини в одну. Це можуть бути як клітини одного виду, так і клітини зовсім різнихвидів, наприклад, людини і миші. Зрозуміло, що такі гібридні клітини практично нежиттєздатні.

Навіщо ж потрібні лабораторні химери? Часто їх використовують для створення нових декоративних рослин.

Крім того, за їх допомогою вивчають клітинні процеси, зокрема роботу генетичного апарату. Саме вони допомагають вивчати генетичні закономірності сумісності тканин під час трансплантації органів. Клітинна інженерія важлива й для вчених, які вивчають причини виникнення та механізм розвитку ракових пухлин.

Штучне клонування. Ще одним з напрямів клітинної інженерії є штучне кло-нування. Цим терміном позначають процес вирощування із соматичних клітин у лабораторних умовах низки генетично тотожних організмів — клону. Результату досягають різними шляхами, однак обов'язково завдяки мікрохірургічній техніці. За допомогою мікроскальпеля вдається легко поділити ембріон ссавця на кілька частину стадії перших поділів дробіння, а потім з кожної частини виростити організм. Цейпроцес насправді є ніщо інше як штучне створення низки монозиготних блюзнюків.Оскільки близнюки, що походять від однієї зиготи є генетично тотожними, то їх цілком правильно називають клоном. Слід зазначити, що ембріони ссавців добре зберігаються за умови наднизьких температур.

Перше штучне клонування серед хребетних тварин було здійснене ще в 50-х роках XX ст. і мало дещо інший вигляд. З метою отримання клону особин з клітин епітелію кишечнику пуголовка жаби озерної вилучали ядра, які потім підсаджували до яйцеклітин, з яких попередньо видаляли ядра. Якщо операція проходила вдало, яйцеклітини починали дробитися й з них розвивалися пуголовки, які в деяких випадках доростали до дорослого стану. Варто зазначити, що більшість таких «гібридних»особин мали значні вади розвитку й досить низьку життєздатність (іл. 59.3).

Здавалося б, подібні маніпуляції з клітинами амфібій, що нині стали звичайними в добре оснащених лабораторіях, можна проводити у значних масштабах, зокрема на ссавцях і людині. Однак більшість подібних спроб дотепер залишаються

марними. Наприклад, у ссавців пересадження ядра епітеліальної клітини в яйцеклітину з наступним розвитком зародка та його успішним народженням виявилися складними процесами, адже генетичний апарат ссавців складніший, ніжв амфібій, а головне — розвиток ембріону ссавців відбувається всередині іншого(материнського) організму.

Однак вважають, що й у справі кло-нування ссавців досягнуто певних успіхів. Найбільш відомим випадком одержання клонового ссавця з ядер соматичної тканини стала вівця Доллі (1966 р., Велика Британія). В експерименті було задіяно277 яйцеклітин, до яких були пересаджені ядра епітелію, вилучені з вим’я самоковець. У такий спосіб було отримано 29ембріонів, один з яких вижив і став дорослою вівцею.

Перші успіхи породили привабливі перспективи. Здавалося, що в такий спосіб можна одержати клон геніального вченого, художника, музиканта і такимчином створити низку геніїв рівня Лео-нардо да Вінчі, «накарбувати» Рафаелівабо Шаляпіних. Але, на жаль, сьогодні такий шлях вирішення проблеми безсмертявиявляється нереальним, а багато вченихвважають, що він принципово неможливий, адже в соматичних клітинах за період їхнього життя накопичується чимало мутацій. Навіть якби сурогатні матерій виносили дітей з клітин геніїв людства,такі нащадки не просто були б мало схожими на своїх геніальних батьків, а, найімовірніше, виявилися б виродками, які б узагалі довго не прожили (що до речі йтрапилося з вівцею Доллі, яка прожила лише 6,5 років).

Іл. 59.3. Клонування зелених жаб:

1 — незапліднене яйце; 2 — ультрафіолетове опромінювання, за допомогою якого знищують ядро; 3 — пуголовок,у якого беруть клітини кишечнику; 4 —клітини кишечнику; 5 — мікропіпетказ ядром клітини кишечнику; 6 — яйце,до якого переносять ядро; 7 — бластула;8 — випадок, коли розвиток не відбувається; 9 — ненормальний розвиток ембріона; 10 — пуголовок, що розвиваєтьсяз нормальної бластули; 11 — жаба

Біотехнології — це галузь людських знань, що спрямована на використання живих організмів для розв’язання важливих практичних завдань, що стоять передлюдством, зокрема збільшення продовольства й зменшення нестачі енергії тамінеральних ресурсів, розробки нових ліків і методів лікування, поліпшення якостінавколишнього середовища.