Параллельные миры по научному. Cуществуют ли Параллельные миры

Использование биотехнологии позволяет решать большое количество задач, направленных на улучшение генотипа сельскохозяйственных животных.

Главными разделами биотехнологии являются генная и клеточная инженерия.

Методы генной инженерии наиболее детально разработаны на микроорганизмах. Разработаны методы, позволяющие направленно изменять генотип микроорганизмов. В отличие от мутаций эти изменения можно планировать.

Для этого следует выделить определенные гены из генома одних животных и встроить их в геном других особей. Так, уже ген саматотропин – гормон роста крысы встроен в геном мыши, в результате резко усилены темпы роста реципиента и увеличилась его конечная живая масса .

Встройка интерферона (интерферон, англ. – препятствовать, мешать, продукт клеток, возникший при заражении вирусом, задерживающий развитие инфекции другими вирусами) в организм животных является важнейшим фактором формирования неспецифической резистентности организма; в результате его действия создаются препятствия развития другой инфекции (интерференция вирусов), препятствует заболеваниям и увеличивает резистентность организма.

В связи с этим представляется возможность по заранее намеченному плану реконструировать геном скота, придать ему заранее заданные свойства. Совершенно очевидно, что для достижения таких результатов традиционными методами потребовалась бы работа в течение многих поколений.

Большую важность представляет разработка методов извлечения из яичников коров-доноров яйцеклеток , культивирования, оплодотворения созревших ооцитов in vitro и последующего их раннего развития, а затем трансплантация (пересадка) коровам реципиентам. При этом генно-инженерные манипуляции (приемы работы, требующие большой точности) проводятся на фазе зиготы.Трансплантация, ранних эмбрионов основана на ускорении процессов размножения потомков ценных коров доноров. Для этого по определенной системе производят оплодотворение яйцеклеток in vitro и вымывание зигот (эмбрионов на 7-8-й день), которые пересаживают коровам-реципиентам. За год получают от донора 10–20 эмбрионов, которые можно заморозить, а затем осуществлять пересадку коровам-реципиентам, пришедшим в охоту. Техника пересадки уже отработана и дает возможность увеличить темпы селекции крупного рогатого скота в 10–20 раз и более.Используя трансплантацию эмбрионовможно вести борьбу с инфекционными заболеваниями (бруцеллез, лейкоз). Здоровая небеременная матка больных коров подавляет размножение бактерий и позволяет от инфицированных коров получать здоровое потомство.

На основе трансплантации можно предотвратить вымирание и полное исчезновение редких видов, пород животных ; пересаживая эмбрионы от таких животных реципиентов других пород, можно сохранить редкие породы. Примером может служить спасение от полного вымирания ангорской породы овец в Австралии.

Можно быть уверенным, что в ближайшей перспективе будут созданы новые формы крупного рогатого скота, обладающего рядом уникальных свойств, полученных методами генной инженерии (закономерности конструирования in vitro рекомбинантных молекул ДНК и их поведение в реципиентной клетке). Уже накоплен большой опыт культивирования соматических клеток животных т in vitro, разработаны способы длительного хранения клеток при низких температурах.

Активно проводятся исследования и по культивированию генеративных клеток.

Большое значение приобретает и метод агрегации ранних эмбрионов . Соединение двух целых эмбрионов от разных родителей позволяет получать животных, несущих качества сразу четырех родителей. Эти животные получили название химер . В настоящее время получены межвидовые (овца-коза) и межпородные химеры. В Германии (Брем) получили новое животное из двух половинок эмбрионов, взятых от животных разных пород. У нас в стране также получены химерные особи скота.

Определение пола эмбриона основано на идентификации половых хромосом, полученных методом биопсии раннего эмбриона. Этот метод уже используется на скоте. Трансплантация двух эмбрионов заведомо дает возможность избежать бесплодия телок из разнополых двоек (фримартинизм). Представляется возможным создание банка эмбрионов с заранее определенным полом, что позволит более рационально использовать генетические ресурсы.

Клонирование или получение идентичных близнецов из соматических клеток. В США, с помощью микрохирургии, получают клетки из внутренней части плаценты и каждое соматическое клеточное ядро трансплантируют в яйцеклетку, из которой заранее удалено ее собственное ядро. При этом из яйцеклеток развиваются идентичные близнецы, копирующие донора соматических клеток.

Крупномасштабная селекция и биотехнология в скотоводстве находятся в стадии становления. Эффективность их освоения позволит резко повысить продуктивность крупного рогатого скота.

Открытия в области структуры генома, сделанные в середине XX в., дали мощный толчок к созданию принципиально новых систем направленного изменения генома живых существ. Одним из таких направлений является интеграция в геном животных генных конструкций, связанных с процессами регуляции обмена веществ, что обеспечивает последующее изменение и ряда биологических и хозяйственно полезных признаков животных.

Животных, несущих в своем геноме рекомбинантный (чужеродный) ген, принято называть трансгенными , а ген, интегрированный в геном реципиента, - трансгеном. Благодаря переносу генов у трансгенных животных возникают новые признаки, которые при селекции закрепляются в потомстве. Так создают трансгенные линии.

Трансгенных животных получают путем микроинъекции рекомбинантной ДНК в извлеченные из донорских организмов эмбрионы и дальнейшей пересадки инъецированных эмбрионов в яйцеводы или методом культивирования в матку синхронизированных реципиентов. Эффективность получения трансгенных животных во многом зависит от чистоты и концентрации инъекционного раствора ДНК. Для трансформации генов в геном животного используют: микроинъекцию ДНК в пронуклеус зигот или в каждый бластомер двухклеточного эмбриона; введение ДНК с помощью ретровирусных векторов; получение трансгенных химер из генетически трансформированных клеток и эмбрионов.

Одни из важнейших задач сельскохозяйственной биотехнологии - выведение трансгенных животных с улучшенной продуктивностью и более высоким качеством продукции, резистентностью к болезням, а также создание так называемых животных-биореакторов - продуцентов ценных биологически активных веществ.

С генетической точки зрения особый интерес представляют гены, кодирующие белки каскада гормона роста: непосредственно гормон роста и рилизинг-фактор гормона роста. Рилизинг-фактор гормона роста стимулирует синтез и секрецию гормона роста. Гормон роста является регулятором многих процессов обмена веществ, в том числе белкового и липидного.

По данным Л.К. Эрнста у трансгенных свиней с геном рштизинг- фактора гормона роста толщина шпика была на 24,3 % ниже контроля. Существенные изменения отмечены по уровню липидов в длиннейшей мышце спины. Так, содержание общих липидов в этой мышце у трансгенных свинок было меньше на 25,4 %, фосфолипидов - на 32,2 %, холестерина - на 27,7 %. Таким образом, трансгенные свиньи характеризуются повышенным уровнем ингибирования липогенеза.

Ведутся исследования, направленные на получение трансгенных животных, резистентных к маститу за счет повышения содержания белка лак- тоферина в тканях молочной железы. На культуре клеток из почек трансгенных кроликов было показано, что клеточные линии, содержащие трансгенную антисмысловую РНК, имели резистентность к аденовирусу Н5 (Ads) на уровне 90-98 %, более высокую по сравнению с контрольными линиями клеток. Продемонстрирована также устойчивость трансгенных животных с геном антисмысловой РНК к лейкозу крупного рогатого скота, к заражению вирусом лейкоза.

Показана возможность конструирования системы внутриклеточной иммунизации против инфекционных вирусов с участием мутантных форм эндогенных вирусных белков, защищающих от соответствующих вирусов. Так, получены трансгенные куры, устойчивые к лейкозу, у которых в клетках присутствовал белок вирусной оболочки.

Очень важно использование трансгенных животных в медицине и ветеринарии для получения биологически активных соединений за счет включения в клетки организма генов, вызывающих у них синтез новых белков.

Трансгенные животные как продуценты ценных биологически активных белков и гормонов имеют ряд преимуществ перед микроорганизмами и клеточными системами. Важно, что новые белки, получаемые в линиях клеток трансгенных животных, могут быть модифицированы, их активность сравнима с активностью протеинов. Для молочного производства большой интерес представляет получение целенаправленной трансгенной экспрессии в эпителиальные клетки молочной железы для выхода белков с молоком. Один из основных этапов получения трансгенных животных, продуцирующих гетерогенный белок с молоком, - идентификация промотора, направляющего экспрессию структурных генов в секреторный эпителий молочной железы.

В настоящее время выделены гены и промоторы о67-казеина, Р-казеина, а-лактоальбумина, Р-лактоглобулина и сывороточного кислого протеина (WAP ). Молочная железа - великолепный продуцент чужеродных белков, которые можно получать из молока и использовать в фармацевтической промышленности. Из молока трансгенных животных извлекают следующие рекомбинантные белки: человеческий белок С, антигемофиль- ный фактор IX, а-1-антитрипсин, тканевой плазменный активатор, лакто- ферин, сывороточный альбумин, интерлейкин-2, урокиназу и химозин. В большинстве проектов, за исключением а-1-антитрипсина и химозина, исследования пока еще ведутся в основном на трансгенных мышах.

В США осуществлен метод микроинъекции ДНК, отвечающий за экспрессию Р-лактоглобулина, который способен продуцироваться только в молочных железах животных. В Эдинбурге в 1992 г. были выведены трансгенные овцы с геном а-1-антитрипсина человека и р-глобулиновым промотором. Содержание этого белка у разных трансгенных овец составляло от I до 35 г/л, что соответствует половине всех белков в молоке. При таком уровне продукции белка может быть получено около 10 кг трансгенного белка от одного животного в год, что достаточно для 50 пациентов при лечении эмфиземы легких. Обычно выход рекомбинантных белков в системах с использованием культуры клеток составляет около 200 мг/л, а у трансгенных животных он может повышаться до 1 л. Следует отметить, что процедуры по созданию клеточных культур и их выращиванию в промышленных реакторах, а также по выведению трансгенных животных и их обслуживанию весьма дороги. Однако трансгенные животные легко размножаются, содержание их сравнительно дешево, что делает их хорошими продуцентами разнообразных белков с низкой стоимостью. В России группой ученых под руководством Л.К. Эрнста и М.И. Прокофьева получены трансгенные овцы с геном химозина - основного компонента для производства сыра. В 1 л молока содержится 200-300 мг химозина. Стоимость сыра будет в несколько раз ниже продукта, получаемого традиционным способом из сычугов молочных телят и ягнят. Так, из 3 л молока трансгенной овцы можно получить количество химозина, достаточное для производства 1 т сыра из коровьего молока.

Биотехнология в животноводстве

Вакцины. Возбудители заболеваний у животных иные, чем у людей, особенно с учетом разнообразия видов и пород животных. Требования к вакцинам не такие жесткие, как в медицине, но это не исключает необходимости разрабатывать и выпускать большой ассортимент вакцин для животноводства и птицеводства. Под Москвой расположен биокомбинат, занимающийся таким произ­водством.

Антибиотики. Часто медицинские антибиотики действуют и как ветеринарные препараты. Но государственные органы стараются не использовать медицинские антибиотики для животных. Во-первых, применение медицинских антибиотиков для лечения жи­вотных создает риск действия остаточных концентраций их в мясе на «привыкание» (точнее - резистентность) болезнетворных мик­роорганизмов к этим антибиотикам у человека и в дальнейшем - неэффективность их действия при заболеваниях человека. Поэто­му только антибиотики-ветераны, в прошлом бывшие медицинс­кими (такие, как хлортетрациклин или биомицин), входят в ас­сортимент кормовых антибиотиков.

Кормовые витамины используют для некоторых видов живот­ных. Здесь аналогия с медициной полная.

Ростовые гормоны в животноводстве играют гораздо большую роль, чем в медицине. Если в применении к человеку они на­правлены на немногочисленную популяцию лилипутов, то у животных они ускоряют нарастание мышечной массы при от­корме. Это не стероидные гормоны, которые сейчас ограниче­ны в применении, а природные белковые, биосинтез которых налажен с помощью генно-инженерных микроорганизмов-про­дуцентов. Современные ростовые гормоны ускоряют рост до размеров нормальной взрослой особи, не более.

Кормовой белок. При откорме животных, особенно свиней и кур, наряду с обычным углеводным питанием (которое поставля­ется в основном зерном), важно иметь белковое питание (обычно это рыбная мука, мясо-костная мука, бобы или шрот сои, гороха, рапса). Всего этого в стране не хватает. Поэтому наша страна выс­тупила пионером в использовании в качестве кормовых белков микробной биомассы, содержащей от 40 до 80 % белка и выращи­ваемой обычно на разных отходах. Белковая биомасса микроорганизмов хорошо усваивается сельскохозяйственными животными (1 тонна кормовых дрожжей позволяет получать 0,4-0,6 тонн свинины).

Белок, применяемый для кормовых целей, не имеет ограничений по содержанию нуклеиновых кислот (как пищевой). Эти кислоты благополучно усваиваются животными.

Наиболее известен кормовой белок из дрожжей Candida maltosa, выращиваемый на отходах переработки нефти - жидких парафинах. В СССР до 1990 г. ежегодно производилось 1,4 млн т в год такого продукта под названием БВК (белково-витаминный концентрат).

Разработана и реализована вблизи Волгограда в промышленных условиях технология кормового белка на основе метаноокисляющих микроорганизмов, использующих в качестве сырья при­родный газ и имеющих высокое содержание белка в биомассе (до 75 %). Аналогичным образом создана технология кормового белка на основе водородных бактерий.

Существует несколько заводов по производству кормовых гид­ролизных дрожжей, где в качестве сырья применяют получаемый после высокотемпературной кислотной обработки гидролизат древесины. Имеются также технологии получения белка на основе технических метанола и этанола.

Все эти виды сырья оказались после повышения цен на нефть, газ и электроэнергию экономически невыгодными. Поэтому раз­работана и реализована технология получения кормового белка на основе отходов производства зерна (под названиями «Биокорн», «Белотин», «Биотрин»), которая пока еще может конкурировать с дешевой соей из-за рубежа. В других странах для изготовления кормовых дрожжей используют отходы сахарной свеклы и трост­ника, фруктов, отходы спиртового производства, сельскохозяй­ственные крахмалосодержашие отходы.

Кормовые аминокислоты. Из 20 аминокислот незаменимыми для человека являются 8: изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, валин, фенилаланин. Для сельскохозяй­ственных животных к незаменимым относятся также гистидин и аргинин, а для молодняка птицы - пролин.

Эти незаменимые аминокислоты не синтезируются организ­мом, а вносятся с кормом. При этом соотношение разных амино­кислот должно примерно соответствовать соотношению их в бел­ке мяса, яиц, молока животных (в зависимости от направления животноводства), а для человека - в белке женского молока. Если какая-то аминокислота имеет концентрацию гораздо большую, чем нужно по соотношению, прирост массы животного не изме­нится при кормлении такой смесью. Избыток оказывается «лиш­ним». И наоборот, если концентрация какой-то одной аминокис­лоты будет меньше нужной по соотношению, то рост животного будет определяться именно этой аминокислотой. В биологии это называют «принципом Либиха» по имени немецкого ученого, сформулировавшего этот принцип.

В белке зерна пшеницы (глютене) много различных аминокислот, но одна из них имеет концентрацию, на 30-40 % меньше нужной по соотношению Либиха. Эта аминокис­лота - лизин. Если ее добавить к корму, состоящему из зерна пше­ницы, в относительно небольшом количестве, то белок станет по­чти в полтора раза более полноценным, и на таком сбалансирован­ном корме соответственно будет в полтора раза больший рост жи­вотного без изменения количества самой пшеницы. Чтобы получить тот же эффект без добавок лизина, нужно впустую из­расходовать в полтора раза больше зерна.

В связи с этим существует довольно большое производство кормовой аминокислоты лизина, которая продуцируется в боль­ших количествах специальными штаммами микроорганизмов. Производство лизина в США, Японии и других странах достигает 300 тыс. т.

Имеется, в меньшей степени, потребность в аминокислотах триптофан (для кормов на основе зерна кукурузы) и треонин (для кормов на основе пшеницы).

Силосные закваски. Для сохранения скошенной травы и увели­чения ее питательной ценности в силосные ямы наряду с травой вводят специальные закваски - смесь микроорганизмов, создаю­щую возможность в зимнее время кормить животных даже более ценным, чем исходный, растительным кормом.

Пробиотики. Это полезные микроорганизмы пищеварительно­го тракта животных, которые в некоторых случаях (для молодня­ка) добавляют в виде живого биопрепарата в корм. Имеются также попытки в качестве микроорганизмов-пробиотиков добавлять в корм курам, свиньям микрофлору, выделенную из желудка грызу­нов, лосей, бобров, умеющих перерабатывать древесину как пита­тельный субстрат. Это позволяет повысить усвояемость грубых кормов животным с односегментным желудком.

Корм для рыб. Кроме обычных белковых кормов микробиоло­гического типа, хорошо показавших себя при разведении рыб, можно упомянуть специальный корм из оранжево-красных мик­роорганизмов рода Phaffia, который позволяет получать оранже­вый или розовый цвет мяса лосося и форели при их искусствен­ном разведении (без таких добавок мясо лосося получается водя­нистое, бело-серое). Это связано с тем, что Phaffia синтезирует ка-ротиноид астаксантин.