§ 58. Клітинна (тканинна) інженерія

Клітинна (тканинна) інженерія – галузь біотехнології, у якій використовують методи виділення клітин з організму, їхньої перебудови і вирощування на поживних середовищах (створення культури клітин; так звані цитотехнологїі). Пригадайте: такі культури дають змогу отримати важливі сполуки: вітаміни, гормони, фітогормони, цілющі препарати (наприклад, женьшеню) у потрібних кількостях, що значно знижує їхню собівартість. Вони слугують для різноманітних експериментів, наприклад вивчення дії лікарських препаратів та інших речовин тощо. Культури клітин застосовують і для культивування вірусів, які згодом можуть бути використані як переносники в генній інженерії, для діагностики вірусних захворювань чи отримання вакцин. Ще один з важливих напрямів цитотехнології – діагностування патологій різних органів завдяки дослідженню виділених з них клітин.

Методами клітинної інженерії здійснюють віддалену гібридизацію соматичних клітин організмів, яку неможливо зробити іншим способом (людини і миші, людини і моркви, курки і дріжджів тощо). За допомогою цього методу можна з’єднати в одну кілька попередньо оброблених соматичних клітин (зокрема, у клітин рослин треба зруйнувати клітинні оболонки), які належать віддаленим щодо систематичного положення організмам. Для рослин така процедура може привести до виведення нового сорту з новими властивостями. Гібридизацію соматичних клітин ссавців (наприклад, людини та китайського хом’ячка) широко використовують у дослідницьких цілях: гібридна клітина часто втрачає всі хромосоми людини, крім однієї, завдяки чому можна встановити, які гени там містяться.

Запам’ятаємо: клітинна інженерія, або цитотехнології, – це напрям біології, який спеціалізується на культивуванні рослинних і тваринних клітин та тканин поза організмом з метою отримання необхідних людині сполук та організмів.

Учені також можуть поєднувати клітини, навіть такі, які належать різним видам. Наприклад, схрещують лімфоцити та пухлинні клітини, здатні до швидкого поділу, з метою отримання антитіл. Таким чином, клітинна інженерія здатна створювати клітини нового типу на основі їх гібридизації та культивування на поживних середовищах поза живими організмами.

Запам’ятаємо: патологія (від грец. патос – страждання та логос – учення) – наука про структурні, біохімічні та функціональні зміни в клітинах, тканинах та органах, спричинені хворобою.

Мал. 325. Технологія отримання гібридом: 1 – імунізація миші: їй вводять антигени, під впливом яких активуються В-лімфоцити (2), що продукують антитіла; 3 – культура клітин мієломи (так називають онкологічне захворювання, унаслідок якого відбувається неконтрольований поділ клітин); 4 – злиття клітин В-лімфоцитів та мієломних клітин, унаслідок чого отримують гібридоми (5); 6 – отримання культури гібридом; 7 – отримання високоспецифічних антитіл, які використовують для знищення злоякісних пухлин

За допомогою гібридизації лімфоцитів (здатних виробляти антитіла певного типу) та пухлинних клітин (здатних необмежено розмножуватись у культурі) отримують так звані гібридоми – клітини, що виробляють високоспецифічні антитіла (мал. 325). Вони знищують клітини злоякісних пухлин, не діючи на здорові. Також за допомогою гібридизації здійснюють штучне запліднення: злиття статевих клітин, яке неможливе природним шляхом; перенесення клітин із культури в організм тощо. Генетично модифіковані ембріональні клітини (після їх розмноження в культурі) вводять в ембріон на стадії бластули та поміщають такий ембріон у сурогатну матір.

Одним з напрямів клітинної інженерії є використання стовбурових клітин для відновлення ушкоджених тканин та органів. У лабораторних умовах можливі розмноження та подальша спеціалізація стовбурових клітин. Це уможливлює штучне вирощування тканин та деяких органів людини і тварин з метою їхнього подальшого введення в організми. Властивістю стовбурових клітин є те, що вони можуть кровоносною системою просуватись до джерела ураження й відновлювати пошкоджені органи та тканини. У лабораторних умовах можна стимулювати стовбурові клітини до розмноження та подальшої спеціалізації. Це відкриває перспективи отримати тканини та органи людини й тварин поза організмом з метою їхнього подальшого введення в організм. Як вихідний матеріал стовбурових клітин людини використовують, наприклад, клітини пупкового канатика, що сполучає зародок з організмом матері.

Важливою етичною проблемою залишається питання отримання стовбурових клітин з матеріалу, який залишається після переривання вагітності. Тому альтернативним джерелом, як уже зазначалось, можуть слугувати стовбурові клітини, які містяться в пуповинній крові.

Крім етичних проблем, на шляху до широкого впровадження методик пересаджування стовбурових клітин або отриманих із них тканин чи органів є багато невирішених наукових питань. Зокрема, важко досягти того, щоб організм розпізнавав уведені тканини чи органи як «свої» та не боровся з ними. Тому нині стовбурові клітини використовують для лікування лише незначної кількості захворювань. Зокрема, на піддослідних тваринах показано, що після введення їхніх власних стовбурових клітин, отриманих із червоного кісткового мозку, в уражений після інфаркту серцевий м’яз, він майже повністю відновлювався.

Мал. 326. Клонування рослин: 1 – отримання клітинного матеріалу від рослини-донора; 2 – культивування клітин на штучному поживному середовищі; 3 – отримання культури недиференційованих клітин; 4 – завдяки диференціації клітин з’являються тканини та органи клонованої рослини; 5 – клоновану рослину висаджують у ґрунт

Цікаво знати

Майже половина клонованих тварин має значні порушення в будові й функціонуванні органів, які можуть передаватися наступним поколінням (наприклад, всесвітньо відома, клонована 1996 р., вівця Доллі померла від хвороб уже у 2003 р.). Слід враховувати також і те, що клонований організм, народжений з певними вадами, є живою істотою, яку не можна викинути на смітник, мов зіпсований прилад.

Ще одним напрямом клітинної інженерії є клонування організмів. Клон – це сукупність клітин або особин, отриманих від спільного предка нестатевим шляхом. Клон складається з генетично однорідних клітин або організмів. Клонування організмів базується на тому, що кожна соматична клітина містить повну генетичну інформацію, притаманну певному організму. Тому з неї, за певних умов, теоретично можна виростити цілий організм. Для рослин, які здатні розмножуватися вегетативним шляхом (тобто саме із соматичних клітин), така процедура є звичайною в сучасній біотехнології (мал. 326).

Методика клонування тварин починається з того, що з незаплідненої яйцеклітини видаляють ядро і пересаджують до неї ядро соматичної клітини іншої особини. Після цього таку штучну зиготу імплантують у матку самки, де й відбувається розвиток ембріона. Цю методику створено в розрахунку на можливість отримувати від цінних за своїми якостями плідників необмежену кількість нащадків, які є їхньою точною генетичною копією. Але оскільки в кожній спеціалізованій соматичній клітині тварин певні групи генів заблоковано, для клонованих організмів (отриманих уже для багатьох хребетних тварин) характерний високий рівень смертності, вкорочений час життя та поява різних аномалій. Отже, хоча роботи з клонування тварин мають вагомий науковий інтерес, практична цінність їх наразі залишається невисокою. У принципі можна клонувати й людину, проте в багатьох країнах це заборонено законодавством, насамперед, з етичних міркувань.

Пригадайте: за допомогою вивчення каріотипу зародкових клітин, отриманих з навколоплідної рідини, можна визначати певні спадкові захворювання, пов’язані зі зміною кількості хромосом або будови окремих хромосом (назвіть ці захворювання).

Гістотехнології – напрям досліджень, який розробляє методики тривалого зберігання (консервації) тканин поза організмом і виготовлення тканинних та клітинних препаратів для наступного вивчення й практичного застосування. Наприклад, проби тканин заморожують, а потім із застосуванням різних методів мікроскопічної техніки розрізають на тоненькі пластинки, зневоднюють, забарвлюють різними сполуками тощо. Гістотехнологічні методи дають змогу вчасно встановити наявність патологічних змін у тканинах, які свідчать про розвиток певного захворювання, зокрема злоякісних пухлин.

Цікаво знати

У давньогрецькому міфі Химера – істота з лев’ячою головою, козячим тулубом і хвостом дракона (мал. 327).

Мал. 327. Химера – істота, яка згадується в міфах Давньої Греції

Запам’ятаємо: химерний організм – це організм, що складається з генетично різнорідних клітин.

В Україні будь-яке хірургічне втручання, а також відключення свідомості хворого або знеболювання під дією певних сполук (анестезія) заборонено без урахування результатів попереднього аналізу стану структури й життєдіяльності його тканин, органів та їхніх систем.

Окремо слід згадати про створення химерних організмів. Це штучно створені істоти, які мають клітини, що належать різним біологічним видам. Учені, які створюють химерні організми, стверджують, що це допоможе розробляти нові способи лікування раку або цукрового діабету. Химерні організми використовують для дослідження генетичного апарату їхніх клітин, закономірностей сумісності тканин під час трансплантації органів. Фактично химерними є рослини, отримані за допомогою щеплення, коли прищепа та підщепа належать до різних видів чи навіть родів. Але досліди зі створення химерних тварин небезпідставно викликають негативне ставлення з боку не тільки простих людей, але й багатьох учених.

Коротко про головне

Клітинна (тканинна) інженерія – галузь біотехнології, в якій використовують методи виділення клітин з організму, їхньої перебудови і вирощування на поживних середовищах. Методами клітинної інженерії здійснюють віддалену гібридизацію соматичних клітин організмів, яку неможливо здійснити іншим способом. Одними з напрямів клітинної інженерії є використання стовбурових клітин для відновлення ушкоджених тканин та органів і клонування організмів.

Гістотехнології – напрям досліджень, який розробляє методики тривалого зберігання (консервації) тканин поза організмом і виготовлення тканинних і клітинних препаратів для наступного вивчення та практичного застосування.

Ключові терміни та поняття: клітинна (тканинна) інженерія, гібридизація соматичних клітин, гібридоми, кпонування організмів, гістотехнології, химерні організми.

Перевірте здобуті знання

1. Які завдання клітинної (тканинної) інженерії? 2. Що таке клонування організмів? Яка методика цього процесу? 3. З якими проблемами стикаються дослідники під час клонування організмів? 4. З якою метою отримують гібридоми? Яка методика цього процесу? 5. Що таке гістотехнології? Яке їхнє практичне застосування? 6. Що таке химерні організми? З якою метою їх створюють?

Поміркуйте

Поміркуйте, які проблеми етичного плану можуть виникнути під час клонування людини.

ТЕСТ НА ЗАКРІПЛЕННЯ ЗНАНЬ

Виберіть із запропонованих відповідей правильну

1. Назвіть прізвище вченого, який започаткував теоретичні основи штучного добору: а) Г. Мендель; б) Т. Шванн; в) М. Вавилов; г) Ч. Дарвін.

2. Зазначте, яке угруповання організмів у природі відповідає породі тварин чи сорту рослин: а) вид; б) зграя; в) родина; г) популяція.

3. Укажіть, чим супроводжується споріднене схрещування організмів: а) підвищенням гомозиготності нащадків; б) підвищенням гетерозиготності нащадків; в) гетерозисом; г) не впливає на генотип нащадків.

4. Назвіть прізвище ученого, який встановив центри походження і різноманітності культурних рослин: а) М. Вавилов; б) Г. Мендель; в) Ч. Дарвін; г) Г. Карпеченко.

5. Зазначте покоління гібридів, у якому найповніше проявляється гетерозис: а) перше; б) четверте; в) п’яте; г) восьме.

6. Зазначте, що таке біотехнологія: а) галузь генетики; б) галузь цитології; в) галузь біохімії; г) сукупність промислових методів, у яких використовують живі організми чи біологічні процеси.

7. Укажіть організми, внаслідок селекції яких часто отримують поліплоїдні форми: а) тварини; б) рослини; в) прокаріоти; г) віруси.

8. Укажіть організми, у селекції яких застосовують метод визначення якості плідників за властивостями нащадків: а) рослини; б) гриби; в) тварини; г) бактерії.

9. Визначте, як називають нащадків однієї клітини: а) породою; б) сортом; в) штамом; г) генофондом.

10. Укажіть форму штучного добору, яку найчастіше застосовують у селекції тварин: а) масовий; б) розриваючий; в) стабілізуючий; г) індивідуальний.

11. Укажіть мінімальну кількість поколінь, протягом яких особини не повинні паруватись із близькими родичами, щоб схрещування вважали неспорідненим: а) два; б) три; в) чотири; г) шість.

Утворіть логічні пари

12. Установіть відповідність між різними типами схрещування та ознаками організмів.

• 1 споріднене
• 2 неспоріднене
• 3 віддалена гібридизація
• А здійснюється між особинами одного виду, які не мають спільних предків протягом шести останніх поколінь
• Б здійснюється між особинами одного виду, які мають спільних предків протягом шести останніх поколінь
• В здійснюється між представниками різних видів одного класу

13. Установіть відповідність між формами штучного добору та притаманними їм ознаками.

• 1 масовий
• 2 індивідуальний
• А обирають окремих особин за наслідками вивчення фенотипу та генотипу; застосовують у селекції рослин і тварин
• Б обирають групу особин за наслідками вивчення фенотипу; зазвичай не застосовують у селекції тварин
• В обирають групу особин за наслідками вивчення як фенотипу, так і генотипу; застосовують у селекції рослин та тварин

14. Визначте, з яких центрів різноманітності походять ті чи інші культурні рослини.

• 1 центральноамериканський
• 2 південноамериканський
• 3 південноазійський
• 4 південно-Західноазійський
• А кукурудза
• Б картопля
• В тверда пшениця
• Г цукрова тростина
• Д виноград

15. Визначте предків свійських тварин:

• 1 кінь
• 2 свійські кури
• 3 свійські качки
• 4 короп
• А сазан
• Б судак
• В тарпан
• Г крижень
• Д банківські кури

16. Установіть відповідність між різними галузями та методами біології.

• 1 селекція
• 2 генна інженерія
• 3 клітинна інженерія
• 4 біотехнологія
• А клонування організмів
• Б штучний добір
• В стабілізуючий добір
• Г генна терапія
• Д використання у промисловості живих організмів або біологічних процесів

Завдання з вибором трьох правильних відповідей із трьох груп запропонованих варіантів відповідей

17. Назвіть методи, які використовують у селекції мікроорганізмів, рослин і тварин.

Селекція мікроорганізмів

Селекція рослин

Селекція тварин

1 штучний мутагенез

1 визначення якостей плідників за властивостями нащадків

2 отримання гібридом

2 визначення якостей плідників за властивостями нащадків

3 неспоріднене схрещування

3 штучний мутагенез

18. Охарактеризуйте методи, які застосовують у біотехнології.

Метод отримання гібридом

Метод генної терапії

Метод отримання химерних організмів

1 створення організмів, які мають клітини, що належать різним біологічним видам

1 процедура, під час якої у хворого вилучають певні типи клітин, замінюють їхні дефектні алельні гени нормальними, а потім вводять в організм

1 гібридизація лімфоцитів та пухлинних клітин

2 гібридизація лімфоцитів та пухлинних клітин

2 створення організмів, які мають клітини, що належать різним біологічним видам

2 процедура, під час якої у хворого вилучають певні типи клітин, замінюють їхні дефектні алельні гени нормальними, а потім вводять в організм

3 процедура, під час якої у хворого вилучають певні типи клітин, замінюють їхні дефектні алельні гени нормальними, а потім вводять в організм

3 гібридизація лімфоцитів та пухлинних клітин

3 створення організмів, які мають клітини, що належать різним біологічним видам

19. Охарактеризуйте кпоновані, генетично модифіковані та химерні організми.

Клоновані організми

Генетично модифіковані організми

Химерні організми

1 організми, у геном яких уводять певні гени

1 організми, які мають клітини, що належать різним біологічним видам

1 генетично однорідні організми, отримані від спільного предка нестатевим шляхом

2 організми, які мають клітини, що належать різним біологічним видам

2 генетично однорідні організми, отримані від спільного предка нестатевим шляхом

2 організми, у геном яких уводять певні гени

3 генетично однорідні організми, отримані від спільного предка нестатевим шляхом

3 організми, у геном яких уводять певні гени

3 організми, які мають клітини, що належать різним біологічним видам

Запитання з відкритою відповіддю

20. Чому центри стародавнього землеробства й походження культурних рослин зазвичай знаходяться в гірській місцевості?

21. У чому полягає складність перенесення генів еукаріотів у прокаріотичну клітину?

22. У чому можливі негативні наслідки створення химерних організмів?

23. Чи варто відмовитись від подальших досліджень у галузі створення трансгенних організмів?

24. Яке значення для подальшого розвитку генетики, селекції та біотехнології має створення банків генів?

25. З якою метою у селекції організмів можуть застосовувати мутації, які супроводжуються кратним зменшенням кількості наборів хромосом?

26. Чому ефективність селекції залежить від різноманітності вихідного матеріалу?

27. Що спільного та відмінного в селекції тварин, рослин та мікроорганізмів?

28. Якими шляхами модифіковану молекулу ДНК можна ввести у клітину?

29. Які можливі напрями застосування генетично модифікованих рослин і тварин?

30. Як за допомогою генної терапії можна лікувати певні захворювання людини?

31. Поміркуйте, чому безпліддя міжвидових гібридів тварин неможливо подолати шляхом створення поліплоїдних форм.

Презентація “Клітинна інженерія. Методи клітинної інженерії”

Доповнення до уроку біології в 11 класі. На слайдах міститься інформація про методи клітинної інженерії та їх застосування в сучасній селекції.

Клітинна інженерія. Методи клітинної інженерії11 клас. Барановська Тетяна Іванівна,вчитель біології Доброводівської ЗОШ І-ІІІ ступенів

Клітинна(тканинна) інженерія-перспективний напрям сучасної біотехнології,яка використовує методи: Клітинні культури. Віддалена гібридизація соматичних клітин. Використання стовбурових клітин. Клонування Створення химерних організмів

Клітинні культури – метод виділення клітин з організму,трансформування їх і вирощування на поживних середовищах. Клітинні культури дають змогу отримувати цінні біологічно активні речовини:гормони,вітаміни,цілющі препарати(наприклад,женьшеню)Культивування ліній клітин з ракових пухлин дозволяє вивчати онкогенну трансформацію клітин та шукати шляхи боротьби з цією хворобою. Клітинні культури застосовують і для культивування вірусів для векторів у генній інженерії,для діагностики вірусних захворювань, для отримання вакцин. Направлена генетична модифікація клітин дає змогу вивчати роль окремих генів та їх регуляцію у життєдіяльності клітин

Вирощування органоїдів -перспективний напрям клітинних культур. Органоїди – штучні структури,що містять головні типи клітин,притаманних певному органу, просторова організація яких повторює розміщення клітин всередині організму. Є органоїди нирок,кишечника, головного мозку, сітківки ока, печінки,легень Органоїд сітківки ока та штучно вирощений серцевий клапан

Створення трансплантів (складників організму) для заміни ушкоджених органів. Створенню трансплантів сприяло відкриття механізму перепрограмування дорослих клітин до менш диференційованого стану (у стовбурові),коли можна запустити їх розвиток у бажаному напрямку – вирощувати епітеліальні,нервові або інші клітини. Для створення правильних просторових структур трансплантів використовують сучасні методики 3 D-друку. Джон Гердон з Великобританії та Шінья Яманака з Японії відзначені Нобелівською премією 2012 року за перепрограмування диференційованих клітин у стовбурові Принцип перепрограмування клітин1.виділення клітин шкіри. 2.культивування фібробластів. 3. перепрограмування клітин у стовбурові. 4. індукція розвитку отриманих клітин у бажаному напрямку. 5.клітинна терапія. 6.дослідження отриманих клітин

Віддалена гібридизація соматичних клітин організмів(людини і миші,людини і моркви,курки і дріжджів,тощо)Це дає змогу створювати препарати,які підвищують стійкість до різних захворювань:культури гібридів нормальних клітин з раковими на поживних штучних середовищах виробляють антитіла(так звані моноклональні антитіла),що знищують клітини злоякісних пухлин,не діючи на здорові

Використання стовбурових клітин. Стовбурові клітини використовують для відновлення ушкоджених тканин та органів, у лабораторних умовах можливі розмноження та подальша спеціалізація стовбурових клітин

Клонування організмів. Клон – це сукупність клітин або особин,отриманих від спільного предка нестатевим шляхом; клон складається з генетично однорідних клітин або організмів

Клонуваня рослин. Природні клони рослин поширені завдяки нестатевому,зокрема, вегетативному розмноженню. Штучні клони рослин вирощують з окремих соматичних клітин

Клонування тварин. При клонуванні тварин ядро незаплідненої яйцеклітини замінюють ядром нестатевої клітини іншої особини. Таку штучну зиготу пересаджують у матку самки,де зародок і розвивається. Таким чином отримують генетичні копії від одного організму. Експериментально вчені клонували різні види тварин,наприклад, добре відому вівцю Доллі. Також отримано копії гладенької шпоркової жаби, домової миші,кози, корови, кота,собаки.

Химерні організми – штучно створені істоти,які мають клітини,що належать різним біологічним видам. Створення химерних тварин є можливим завдяки злиттю ембріонів на ранніх стадіях. Таким чином були отримані химерні миші шляхом злиття ембріонів білих та чорних мишей,химерна тварина коза-вівця. Термін химери уперше застосував німецький ботанік Г. Вінклер у 1907 році для форми рослини, отриманої зрощенням томату і пасльону. Химери можуть виникати в результаті щеплень рослин і під впливом мутацій соматичних клітин. Компоненти химер можуть відрізнятися генами ядра,числом хромосом або генами пластид чи мітохондрій