Оренбургский государственный университет

16 января состоялось очередное занятие в школе «Юный биохимик и микробиолог».

На этот раз лекция была посвящена биоиженерии и биоинформатике и прочитана доцентами кафедры биохимии и микробиологии Ильшатом Каримовым и Ольгой Давыдовой. Школьники узнали о различных видах биоинженерии, инструментарии и основных достижениях, познакомились с теоретическими и практическими основами методов, ростом массивов биологических данных и их хранилищами, остались впечатлены появлением множества современных «омик»-направлений: геномика, протеомика, метаболомика и др.

Слово «биоинженерия» было придумано британским ученым и диктором Хайнцем Вульфом в 1954 году и на сегодняшний день является направлением науки и техники, развивающим применение инженерных принципов в биологии и медицине, ее сфера деятельности простирается от создания искусственных органов до разработки генетически модифицированных организмов. Так, техника генетического конструирования in vitro (в пробирке) позволяет, используя элементы генетических систем, функционирующие в природе, создать рекомбинантные молекулы ДНК, образованные объединением двух или более фрагментов ДНК, выделенных из различных биологических источников, и запустить их функционирование в живых клетках. Например, микроорганизмы после введения соответствующих генов становятся продуцентами ценных для медицины белков.

Так, первой реализованной генно-инженерной разработкой стал синтез человеческого инсулина — гормона поджелудочной железы, поддерживающего нормальный уровень сахара в крови, в клетках кишечной палочки. Сначала инсулин получали весьма трудоемким способом из поджелудочной железы свиней и крупного рогатого скота и обеспечивали только 10 % больных сахарным диабетом. С 1978 г. этой работой «занимается» кишечная палочка и обеспечивает инсулином десятки миллионов больных по всему свету (в том числе и тех, у кого аллергия на животный инсулин). Уже спустя год следующей разработкой стал синтез в рекомбинантных бактериальных клетках соматотропина — гормона роста человека, недостаток которого приводит к гипофизарной карликовости. Из-за того что гормон обладает видовой специфичностью, то есть, в отличие от инсулина, гормоны роста животных не имели активности в организме человека, единственным средством его получения являлся гормон, который выделяли из трупов. На сегодняшний день, благодаря удешевлению данного препарата, он стал абсолютно доступен. Даже в сельском хозяйстве при выращивании животных перенос гена соматотропина позволяет увеличить молочную продуктивность и живую массу. Помимо этого получены трансгенные формы растений с ускоренным ростом, большей массой плодов, увеличенной продолжительностью хранения плодов; устойчивые к гербицидам, к патогенным вирусам и грибам, к вредным насекомым, а также к засухе и засоленности почв. Иногда модификации осуществляют с эстетической целью, так, например, были получены синие розы и желтые петунии. Многие человеческие белки могут быть правильно собраны только в высших организмах, таким образом гены вводят в клетки животным, индуцируя их не только на образование нужного белка, но и на секрецию его в жидкие среды организма, например, человеческие белки выделяют из молока овец, коз и молочных коров, а также яиц трансгенных кур. Опасность генно-модифицированных организмов зачастую сильно преувеличена и находится под строжайшем контролем. Достижения клеточной инженерии при создании культур клеток и клонировании целых организмов, самым популярным из которых стала овечка Долли, тоже открывают широкие возможности использования в медицине.

Разработка многих методов способствовала развитию биоинженерии и биоинформатики. Одним из основных методов является метод амплификации ДНК, позволяющий увеличить количество ДНК в ходе многократных последовательных удвоений исходной молекулы ДНК с помощью фермента ДНК-полимеразы. Для этого нужно иметь в своем распоряжении два олигонуклеотида (праймера), каждый из которых будет гибридизоваться с одной из цепей на противоположных концах подлежащего амплификации фрагмента ДНК, достаточное количество дезоксирибонуклеозидтрифосфатов и специальную термостабильную ДНК-полимеразу. Праймер синтезируют, а полимеразу получают из термостабильных бактерий. В результате чередования различных температурных режимов в геометрической прогрессии удается увеличить исходное количество ДНК, так, за двадцать циклов ПЦР количество исходных молекул ДНК возрастает примерно в миллион раз. На заключительном этапе может проводиться разделение смеси продуктов амплификации методом горизонтального электрофореза в агарозном геле, или в качестве альтернативы такого метода детекции, имеющего недостаток в виде субъективности чтения результатов, могут быть предложены гибридизационные схемы детекции, основанные на регистрации флуоресцентного сигнала дополнительно внесенных в смесь зондов.

Еще одним важнейшим достижением стала разработка подходов секвенирования — расшифровки структурной последовательности (нуклеотидов или аминокислот) биополимеров. При этом технология методов секвенирования нового поколения позволяет «прочитать» единовременно сразу несколько участков генома, что является главным отличием от более ранних методов секвенирования. Благодаря возможности накопления и анализа больших массивов биологических данных развились многие новые направления науки, так называемые «омики»: геномика — это направление, занимающееся изучением геномов и ролей, которые играют различные гены, индивидуально и в комплексе, в определении структуры, направления роста и развития и регуляции биологических функций; протеомика — это наука, занимающаяся изучением структуры, функций, локализации и взаимодействия белков внутри клетки и между клетками; транскриптомика — это наука, занимающаяся изучением транскриптов (молекул РНК), которые подразумевают исследование процесса созревания мРНК и образование рРНК и тРНК; метаболомика — это наука, занимающаяся изучением метаболитов (молекул массой не более 1 кДа), определяющих регуляцию активности генов и клеток в популяции и многих других. Помимо этого, разработка методов секвенирования позволила получить информацию о генах, регуляторных областях, спейсерах и т. д. и целых геномах организмов, что способствовало развитию биоинформатики и созданию генетических банков — хранилищ последовательностей нуклеиновых кислот в виде компьютерных файлов.

В конце лекции для школьников провели мастер-класс по выделению собственной ДНК с помощью экспресс-теста и постановке полимеразно-цепной реакции с флуоресцентной детекцией на оборудовании кафедры в учебных лабораториях.

Приглашаем слушателей принимать участие в последующих занятиях школы «Юный биохимик и микробиолог». А наших будущих абитуриентов поступать на вновь открывшуюся специальность «Биоинженерия и биоинформатика».

Кафедра биохимии и микробиологии

Ошибка в тексте? Выделите её и нажмите «Ctrl + Enter».