Паралельні світи з наукового. Чи існують Паралельні світи
Використання біотехнології дозволяє вирішувати велика кількістьзадач, вкладених у поліпшення генотипу сільськогосподарських тварин.
Головними розділами біотехнології є генна та клітинна інженерія.
Методи генної інженеріїнайбільш детально розроблено на мікроорганізмах. Розроблено методи, що дозволяють спрямовано змінювати генотип мікроорганізмів. На відміну від мутацій, ці зміни можна планувати.
І тому слід виділити певні гени з геному одних тварин і вбудувати в геном інших особин. Так, вже ген саматотропін – гормон росту щура вбудований в геном миші, в результаті різко посилені темпи зростання реципієнта та збільшилася його кінцева жива маса .
Вбудовування інтерферону (інтерферон, англ. - перешкоджати, заважати, продукт клітин, що виник при зараженні вірусом, що затримує розвиток інфекції іншими вірусами) в організм тварин є найважливішим факторомформування неспецифічної резистентності організму; внаслідок його дії створюються перешкоди розвитку іншої інфекції (інтерференція вірусів), перешкоджає захворюванням та збільшує резистентність організму.
У зв'язку з цим надається можливість за заздалегідь наміченим планом реконструювати геном худоби, надати йому заздалегідь задані характеристики. Цілком очевидно, що для досягнення таких результатів традиційними методамизнадобилася робота протягом багатьох поколінь.
Велике значення має розробка методів вилучення з яєчників корів-донорів яйцеклітин , культивування, запліднення дозрілих ооцитів in vitro та подальшого їх раннього розвиткуа потім трансплантація (пересадка) коровам реципієнтам. При цьому генно-інженерні маніпуляції (прийоми роботи, які потребують великої точності) проводяться на фазі зиготи. Трансплантація ранніх ембріонів заснована на прискоренні процесів розмноження нащадків цінних корів донорів. Для цього по певній системівиробляють запліднення яйцеклітин in vitro та вимивання зигот (ембріонів на 7-8-й день), які пересаджують коровам-реципієнтам. За рік отримують від донора 10–20 ембріонів, які можна заморозити, а потім здійснювати пересадку коровам-реципієнтам, які полюють. Техніка пересадки вже відпрацьована і дає змогу збільшити темпи селекції великої рогатої худоби у 10–20 разів та більше. Використовуючи трансплантацію ембріонів, можна вести боротьбу з інфекційними захворюваннями (бруцельоз, лейкоз). Здорова невагітна матка хворих на корів пригнічує розмноження бактерій і дозволяє від інфікованих корів отримувати здорове потомство.
На основі трансплантації можна запобігти вимиранню та повному зникненню рідкісних видів, порід тварин.; Пересаджуючи ембріони від тварин реципієнтів інших порід, можна зберегти рідкісні породи. Прикладом може бути порятунок від повного вимирання ангорської породи овець в Австралії.
Можна бути впевненим, що у найближчій перспективі будуть створені нові форми великої рогатої худоби, що має поряд унікальних властивостейотриманих методами генної інженерії (закономірності конструювання in vitro рекомбінантних молекул ДНК та їх поведінка в реципієнтній клітині). Вже накопичений великий досвідкультивування соматичних клітинтварин in vitro, розроблені способи тривалого зберігання клітин при низьких температурах.
Активно проводяться дослідження та з культивування генеративних клітин.
Велике значеннянабуває і метод агрегації ранніх ембріонів . Поєднання двох цілих ембріонів від різних батьків дозволяє отримувати тварин, які несуть якості одразу чотирьох батьків. Ці тварини отримали назву химер . В даний час отримані міжвидові (вівця-коза) та міжпородні химери. У Німеччині (Брем) отримали нову тварину із двох половинок ембріонів, взятих від тварин різних порід. У нас у країні також отримані химерні особи худоби.
Визначення статі ембріоназасноване на ідентифікації статевих хромосом, одержаних методом біопсії раннього ембріона. Цей метод вже використовується на худобі. Трансплантація двох ембріонів дає можливість уникнути безпліддя телиць з різностатевих двійок (фрімартінізм). Видається можливим створеннябанку ембріонів із заздалегідь визначеною статтю, що дозволить раціональніше використовувати генетичні ресурси.
Клонуванняабо отримання ідентичних близнюків із соматичних клітин. У США, за допомогою мікрохірургії, одержують клітини з внутрішньої частини плаценти і кожне соматичне клітинне ядро трансплантують в яйцеклітину, з якої наперед видалено її власне ядро. При цьому з яйцеклітин розвиваються ідентичні близнюки, які копіюють донора соматичних клітин.
Великомасштабна селекція та біотехнологія у скотарстві перебувають у стадії становлення. Ефективність їх освоєння дозволить різко підвищити продуктивність великої рогатої худоби.
Відкриття області структури геному, зроблені у середині XX ст., дали потужний поштовх до створення принципово нових систем спрямованої зміни геному живих істот. Одним з таких напрямків є інтеграція в геном тварин генних конструкцій, пов'язаних з процесами регуляції обміну речовин, що забезпечує подальшу зміну і ряду біологічних та господарських корисних ознактварин.
Тварин, які несуть у своєму геномі рекомбінантний (чужорідний) ген, прийнято називати трансгенними, а ген, інтегрований у геном реципієнта, - трансгеном.Завдяки перенесенню генів у трансгенних тварин виникають нові ознаки, які при селекції закріплюються у потомстві. Так утворюють трансгенні лінії.
Трансгенних тварин одержують шляхом мікроін'єкції рекомбінантної ДНК у витягнуті з донорських організмів ембріони та подальшої пересадки ін'єктованих ембріонів у яйцеводи або методом культивування в матку синхронізованих реципієнтів. Ефективність отримання трансгенних тварин багато в чому залежить від чистоти та концентрації ін'єкційного розчину ДНК. Для трансформації генів у геном тварини використовують: мікроін'єкцію ДНК в пронуклеус зигот або в кожен бластомер двоклітинного ембріона; введення ДНК за допомогою ретровірусних векторів; отримання трансгенних химер із генетично трансформованих клітин та ембріонів.
Одні з найважливіших завданьсільськогосподарської біотехнології - виведення трансгенних тварин з покращеною продуктивністю та більше високою якістюпродукції, резистентністю до хвороб, а також створення так званих тварин-біореакторів- Продуценти цінних біологічно активних речовин.
З генетичної точки зору особливий інтереспредставляють гени, що кодують білки каскаду гормону росту: безпосередньо гормон росту та рилізинг-фактор гормону росту. Рилізинг-фактор гормону росту стимулює синтез та секрецію гормону росту. Гормон зростання є регулятором багатьох процесів обміну речовин, у тому числі білкового та ліпідного.
За даними Л.К. Ернста у трансгенних свиней з геном рштизинг-фактора гормону росту товщина шпику була на 24,3 % нижче контролю. Суттєві зміни відзначені за рівнем ліпідів у найдовшому м'язі спини. Так, вміст загальних ліпідів у цьому м'язі трансгенних свинок був меншим на 25,4 %, фосфоліпідів - на 32,2 %, холестерину - на 27,7 %. Таким чином, трансгенні свині характеризуються підвищеним рівнемінгібування ліпогенезу.
Ведуть дослідження, спрямовані на отримання трансгенних тварин, резистентних до маститу за рахунок підвищення вмісту білка лактоферину в тканинах молочної залози. На культурі клітин із бруньок трансгенних кроликів було показано, що клітинні лінії, що містять трансгенну антисмислову РНК, мали резистентність до аденовірусу Н5 (Ads)лише на рівні 90-98 %, вищу проти контрольними лініями клітин. Продемонстровано також стійкість трансгенних тварин з геном антисмислової РНК до лейкозу великої рогатої худоби, зараження вірусом лейкозу.
Показано можливість конструювання внутрішньоклітинної імунізації проти інфекційних вірусів за участю мутантних форм ендогенних вірусних білків, що захищають від відповідних вірусів. Так, отримані трансгенні кури, стійкі до лейкозу, у яких у клітинах був присутній білок вірусної оболонки.
Дуже важливе використання трансгенних тварин у медицині та ветеринарії для отримання біологічно активних з'єднаньза рахунок включення до клітин організму генів, що викликають у них синтез нових білків.
Трансгенні тварини як продуценти цінних біологічно активних білків та гормонів мають низку переваг перед мікроорганізмами та клітинними системами. Важливо, що нові білки, одержувані в клітинних клітин трансгенних тварин, можуть бути модифіковані, їх активність можна порівняти з активністю протеїнів. Для молочного виробництва великий інтереспредставляє отримання цілеспрямованої трансгенної експресії епітеліальні клітини молочної залози для виходу білків з молоком. Один з основних етапів отримання трансгенних тварин, що продукують гетерогенний білок з молоком, - ідентифікація промотора, що спрямовує експресію структурних генів секреторний епітелій молочної залози.
В даний час виділені гени та промотори о67-казеїну, Р-казеїну, а-лактоальбуміну, Р-лактоглобуліну та сироваткового кислого протеїну ( WAP). Молочна залоза - чудовий продуцент чужорідних білків, які можна отримувати з молока та використовувати у фармацевтичної промисловості. З молока трансгенних тварин витягують наступні рекомбінантні білки: людський білок С, антигемофільний фактор IX, а-1-антитрипсин, тканинний плазмовий активатор, лактоферин, сироватковий альбумін, інтерлейкін-2, урокіназу та хімозин. У більшості проектів, за винятком а-1-антитрипсину та хімозину, дослідження поки що ведуться в основному на трансгенних мишах.
У США здійснено метод мікроін'єкції ДНК, який відповідає за експресію Р-лактоглобуліну, який здатний продукуватися лише у молочних залозах тварин. В Единбурзі в 1992 р. були виведені трансгенні вівці з геном а-1-антитрипсину людини та р-глобуліновим промотором. Вміст цього білка у різних трансгенних овець становив від I до 35 г/л, що відповідає половині всіх білків у молоці. За такого рівня продукції білка може бути отримано близько 10 кг трансгенного білка від однієї тварини на рік, що достатньо для 50 пацієнтів при лікуванні емфіземи легень. Зазвичай вихід рекомбінантних білків у системах з використанням культури клітин становить близько 200 мг/л, а трансгенних тварин він може підвищуватися до 1 л. Слід зазначити, що процедури зі створення клітинних культур та їх вирощування в промислових реакторах, а також виведення трансгенних тварин та їх обслуговування дуже дорогі. Однак трансгенні тварини легко розмножуються, їх вміст порівняно дешево, що робить їх хорошими продуцентами різноманітних білків з низькою вартістю. У Росії її групою вчених під керівництвом Л.К. Ернста та М.І. Прокоф'єва отримані трансгенні вівці з геном хімозину – основного компонента для виробництва сиру. У 1 л молока міститься 200-300 мг хімозину. Вартість сиру буде в кілька разів нижчою за продукт, що отримується традиційним способом із сичугів молочних телят і ягнят. Так, із 3 л молока трансгенної вівці можна отримати кількість хімозину, достатню для виробництва 1 т сиру з коров'ячого молока.
Біотехнологія у тваринництві
ВакциниЗбудники захворювань у тварин інші, ніж у людей, особливо з урахуванням різноманітності видів та порід тварин. Вимоги до вакцин не такі жорсткі, як у медицині, але це не виключає необхідності розробляти та випускати великий асортимент вакцин для тваринництва та птахівництва. Під Москвою розташований біокомбінат, який займається таким виробництвом.
Антибіотики.Часто медичні антибіотики діють як ветеринарні препарати. Але державні органинамагаються не використовувати медичні антибіотики для тварин. По-перше, застосування медичних антибіотиків для лікування тварин створює ризик дії залишкових концентрацій їх у м'ясі на звикання (точніше - резистентність) хвороботворних мікроорганізмів до цих антибіотиків у людини і надалі - неефективність їх дії при захворюваннях людини. Тому тільки антибіотики-ветерани, які в минулому були медичними (такі, як хлортетрациклін або біоміцин), входять до асортименту кормових антибіотиків.
Кормові вітамінивикористовують для деяких видів тварин. Тут аналогія із медициною повна.
Ростові гормониу тваринництві грають набагато велику роль, ніж у медицині. Якщо до людини вони спрямовані на нечисленну популяцію ліліпутів, то у тварин вони прискорюють наростання м'язової маси при відгодівлі. Це не стероїдні гормони, які зараз обмежені у застосуванні, а природні білкові, біосинтез яких налагоджений за допомогою генно-інженерних мікроорганізмів-продуцентів. Сучасні ростові гормони прискорюють зростання до розмірів нормальної дорослої особини, трохи більше.
Кормовий білок.При відгодівлі тварин, особливо свиней і курей, поряд із звичайним вуглеводним харчуванням (що поставляється в основному зерном), важливо мати білкове харчування (зазвичай це рибне борошно, м'ясо-кісткове борошно, боби або шрот сої, гороху, ріпаку). Усього цього у країні не вистачає. Тому наша країна виступила піонером у використанні як кормові білки мікробної біомаси, що містить від 40 до 80 % білка і зазвичай вирощується на різних відходах. Білкова біомаса мікроорганізмів добре засвоюється сільськогосподарськими тваринами (1 тонна кормових дріжджів дозволяє одержувати 0,4-0,6 тонни свинини).
Білок, що застосовується для кормових цілей, не має обмежень щодо вмісту нуклеїнових кислот(як харчовий). Ці кислоти благополучно засвоюються тваринами.
Найбільш відомий кормовий білок із дріжджів Candida maltosa, що вирощується на відходах переробки нафти - рідких парафінах. У СРСР до 1990 р. щорічно вироблялося 1,4 млн т на рік такого продукту під назвою БВК (білково-вітамінний концентрат).
Розроблено та реалізовано поблизу Волгограда у промислових умовах технологію кормового білка на основі метаноокислювальних мікроорганізмів, які використовують як сировину природний газ і мають високий вміст білка в біомасі (до 75 %). Аналогічним чином створено технологію кормового білка на основі водневих бактерій.
Існує кілька заводів з виробництва кормових гідролізних дріжджів, де як сировину застосовують одержуваний після високотемпературної кислотної обробки гідролізат деревини. Є також технології отримання білка на основі технічних метанолу та етанолу.
Усі ці види сировини виявилися після підвищення цін на нафту, газ та електроенергію економічно невигідними. Тому розроблено та реалізовано технологію отримання кормового білка на основі відходів виробництва зерна (під назвами «Біокорн», «Білотин», «Біотрин»), яка поки що може конкурувати з дешевою соєю з-за кордону. В інших країнах для виготовлення кормових дріжджів використовують відходи цукрових буряків та очерету, фруктів, відходи спиртового виробництва, сільськогосподарські крохмалоутримуючі відходи.
Кормові амінокислоти.З 20 амінокислот незамінними для людини є 8: ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан, валін, фенілаланін. Для сільськогосподарських тварин до незамінних належать також гістидин та аргінін, а для молодняку птиці – пролін.
Ці незамінні амінокислоти не синтезуються організмом, а вносяться із кормом. При цьому співвідношення різних амінокислот повинне приблизно відповідати співвідношенню їх у білку м'яса, яєць, молока тварин (залежно від напряму тваринництва), а для людини – у білку жіночого молока. Якщо якась амінокислота має концентрацію набагато більшу, ніж потрібно за співвідношенням, приріст маси тварини не зміниться під час годування такою сумішшю. Надлишок виявляється «зайвим». І навпаки, якщо концентрація якоїсь однієї амінокислоти буде меншою за потрібну за співвідношенням, то зростання тварини визначатиметься саме цією амінокислотою. У біології це називають «принципом Лібіха» на ім'я німецького вченого, який сформулював цей принцип.
У білку зерна пшениці (глютен) багато різних амінокислот, але одна з них має концентрацію, на 30-40% менше потрібної за співвідношенням Лібіха. Ця амінокислота – лізин. Якщо її додати до корму, що складається із зерна пшениці, у відносно невеликій кількості, то білок стане майже в півтора рази повноціннішим, і на такому збалансованому кормі відповідно буде в півтора разу більший ріст тварини без зміни кількості самої пшениці. Щоб отримати той самий ефект без добавок лізину, потрібно даремно витратити у півтора рази більше зерна.
У зв'язку з цим є досить велике виробництво кормової амінокислоти лізину, яка продукується у великих кількостях спеціальними штамами мікроорганізмів. Виробництво лізину у США, Японії та інших країнах сягає 300 тис. т.
Є меншою мірою потреба в амінокислотах триптофан (для кормів на основі зерна кукурудзи) і треонін (для кормів на основі пшениці).
Силосні закваски.Для збереження скошеної трави та збільшення її поживної цінності в силосні ями поряд із травою вводять спеціальні закваски - суміш мікроорганізмів, що створює можливість у зимовий час годувати тварин навіть більш цінним, ніж вихідним, рослинним кормом.
Пробіотики.Це корисні мікроорганізми шлунково-кишкового тракту тварин, які в деяких випадках (для молодняку) додають у вигляді живого біопрепарату в корм. Є також спроби як мікроорганізмів-пробіотиків додавати в корм курям, свиням мікрофлору, виділену зі шлунка гризунів, лосів, бобрів, які вміють переробляти деревину як живильний субстрат. Це дозволяє підвищити засвоюваність грубих кормів тварин із односегментним шлунком.
Корм для риб.Крім звичайних білкових кормів мікробіологічного типу, що добре показали себе при розведенні риб, можна згадати спеціальний корм з оранжево-червоних мікроорганізмів роду Phaffia, який дозволяє отримувати помаранчевий або рожевий колірм'яса лосося та форелі при їх штучному розведенні (без таких добавок м'ясо лосося виходить водянисте, біло-сіре). Це пов'язано з тим, що Phaffia синтезує каротиноїд астаксантин.
