Клітинні технології. Штучне запліднення. Клонування

Клітинні технології, або цитотехнології — це технології, які базуються на культурах клітин рослин і тварин. У 50-х роках ХХ ст. у США і країнах Західної Європи виникли подібно до банків крові банки замороженої сперми для штучного запліднення. Багатьом сім’ям цей спосіб дає змогу розв’язати питання безплідності. Також є банки, в яких зберігаються ракові клітини і клітини зі спадковими захворюваннями. Завдяки цьому вчені досліджують ці клітини і виявляють причини виникнення змін у них і способи їх виправлення.

Початок розвитку клітинної інженерії припадає на 60-ті рр. ХХ ст., коли було розроблено метод гібридизації соматичних клітин. Цей метод полягає у стимуляції злиття двох соматичних клітин одного або різних видів. Створення міжвидових клітинних гібридів людських і тваринних клітин дало можливість здійснити картування хромосом людини.

Штучне запліднення

Найбільш відомою та успішною галуззю клітинної інженерії є штучне, або екстракорпоральне запліднення (ЕКЗ), що є широко застосовуваною методикою подолання безпліддя. Під час ЕКЗ статеві клітини жінки та чоловіка виділяються з організму і піддаються злиттю «у пробірці». Успішне проведення ЕКЗ вимагає відповідної підготовки жіночого організму. Для підвищення шансів на успішне запліднення потрібно отримати декілька яйцеклітин, в той час як у нормі за одну овуляцію дозріває лише одна (рідко дві або більше) яйцеклітини. Для цього здійснюють стимуляцію дозрівання фолікулів шляхом введення в організм жінки гормональних препаратів. Такий процес має назву суперовуляції. Контроль дозрівання здійснюють за допомогою ультразвукового дослідження. Після досягнення фолікулами необхідних розмірів здійснюється проколювання яєчника та отримання яйцеклітин. Процес отримання сперматозоїдів для ЕКЗ зазвичай здійснюється природнім шляхом. Ембріони, отримані шляхом штучного запліднення, культивуються у поживному середовищі. У цьому середовищі відбувається дроблення. Отримані ембріони ретельно відбираються та підсаджуються у матку жінки не пізніше, ніж на п’ятий день після запліднення. Як правило, вноситься декілька ембріонів, щоб збільшити шанси на імплантацію хоча б одного з них. В результаті такого підходу вагітності, що виникли внаслідок штучного запліднення, часто бувають багатоплідними.

Клонування

Робота з позбавленими ядра клітинами та певними їх фрагментами є підґрунтям клонування — одержання генетично ідентичних організмів чи клітин. Результатом репродуктивного клонування є отримання окремого клонованого організму.

Основним методом репродуктивного клонування тварин є перенесення ядра соматичної клітини попередньо позбавлену ядра яйцеклітину. Далі здійснюється стимуляція поділу клітини і отриманий ембріон поміщається у матку тварини, що буде виношувати потомство. Новий метод клонування розроблено групою американських вчених у 2004 р. з використанням стовбурових клітин. Ці клітини плюрипотентні — здатні диференціюватися у будь-який тип клітин, окрім зовнішніх ембріональних. Основним методом репродуктивного клонування тварин є перенесення ядра соматичної клітини у попередньо позбавлену ядра яйцеклітину.

Для клонування брали ядро соматичної клітини молочної залози вівці та поміщали його у позбавлену ядра яйцеклітину самки того ж виду. В отриманій диплоїдній клітині стимулювалося дроблення. Ембріон, що утворився, підсаджували у матку самки-реципієнта, в організмі якої і проходив подальший розвиток клонованого зародка. Результатом стало народження у 1996 році першої у світі клонованої тварини — вівці Доллі.

Незважаючи на значні успіхи у клонуванні тварин, вченим довелося зіткнутися із низкою проблем, що стосувалися клонованих особин. Такі тварини мають знижену життєздатність, більший відсоток вад внутрішньоутробного розвитку, скорочений термін життя. Доллі загинула у 2003 році, проживши майже вдвічі менше, ніж звичайна вівця.

Маніпуляції зі стовбуровими клітинами є основою терапевтичного клонування — отримання окремих тканин та органів. Експерименти з такого клонування мають величезне значення для медицини і складають основу клітинної терапії. Вченими вже вирощено клоновані клітини головного мозку,тканини печінки, рогівку ока. Першим штучно вирощеним органом людини став сечовий міхур, створений із клітин пацієнтів, взятих для цитологічного дослідження. У 2008 році було повідомлено про вирощення серця щура. Вчені видалили м’язову тканину, залишивши утворений із тканин інших типів каркас серця. На цей каркас було перенесено клітини з серця новонародженого щура. Через деякий час ці клітини сформували новий серцевий м’яз. Таке штучне серце володіє всіма властивостями нормального, однак виявляє гіршу працездатність.

Лікування деяких захворювань людини потребує трансплантації органів. Як відомо, імунні механізми, що діють в організмі людини, розпізнають трансплантат як чужорідний і намагаються його знищити, що призводить до відторгнення пересадженого органа. Забір органів у близьких родичів та аналіз великої кількості маркерів тканинної сумісності дозволяє зменшити масштаби цієї проблеми, однак не вирішує її повністю. Зараз активно розробляються методи вирощування органів з власних клітин хворого, що дозволило б подолати імунологічний конфлікт. Ці методи базуються на експериментах зі стовбуровими клітинами, що зберігають високу здатність до диференціації в різні клітини організму.

Окрім методів вирощування органів з клітин людини, великого поширення набуває розробка замінників тканин та органів, створених із сучасних штучних матеріалів. У деяких випадках ці матеріали мають кращі характеристики, ніж природні тканини. Окремою галуззю є створення функціональних протезів кінцівок, що за біомеханічними характеристиками нагадували б справжні ноги та руки.

Принципи штучного вирощування рослин у поживних середовищах

Для вивчення живих клітин рослин широко застосовують метод культивування клітин. Дрібні шматочки живої тканини рослини або окремі клітини будь-якого органа переносять у стерильні умови в пробірці у визначене поживне середовище, параметри якого задані експериментатором. За таких умов клітини здатні розмножуватися і виявляти інші ознаки життєдіяльності. У спеціальних камерах, до яких вміщені пробірки, створюють строго регульовані сприятливі умови вологості, освітлення, температури. В результаті з однієї або декількох клітин рослини можна отримати цілий новий організм із властивостями материнської клітини.

Дослідження з культивування клітин і тканин рослин започаткували вчені: американський — Ф. Уайт і французький — Р. Готре. Вони експериментально довели, що ізольовані тканини можуть не лише перебувати, але й рости в спеціально штучно утвореному середовищі, яке містить необхідні для життєдіяльності умови: відповідні речовини, температурний режим тощо.

Клітинна інженерія рослин базується на маніпуляціях з калусом — клітинною масою, отриманою шляхом культивування соматичних клітин рослин на спеціальних поживних середовищах; першим з таких поживних середовищ було молоко кокосового горіха, але в наш час використовуються штучні середовища. Окремі клітини, виділені з калусу і висіяні на поживному середовищі, можуть розвиватися у повноцінний рослинний організм. Це можливо завдяки тому, що, на відміну від тварин, будь-яка соматична клітина рослин володіє тотипотентністю — здатністю диференціюватися у всі типи клітин.

Позбавивши рослинні клітини клітинної стінки, можна отримати протопласти цих клітин. Їх використовують зокрема для соматичної гібридизації рослинних клітин. Отримавши з гібридних клітин калус, можна добитися розвитку рослинних організмів з гібридним генотипом (мал. 36).

Мал. 36. Соматична гібридизація рослинних клітин

Використання культури клітин має значення для розвитку рослинництва (одержання біологічно активних речовин, наприклад, з культури женьшеню, для фармацевтичних і косметичних препаратів), біотехнології (конструювання організмів, наприклад, вирощування рослин із заданими наперед властивостями) тощо. Клітинна інженерія рослин має важливе значення для їх селекції, оскільки дає можливість отримати різноманітні генетичні форми рослин.

• 1. Які переваги та недоліки штучного запліднення?
• 2. Які групи клітин потрібно зберегти, щоб згодом була можливість вдатися до терапевтичного клонування?
• 2. Чи можна стверджувати, що клон є точною генетичною копією материнського організму?

Обговоріть у групах

Спробуйте спрогнозувати розвиток клітинної інженерії росли, тварин чи навіть людини.

Штучне осіменіння кіз: плюси і мінуси, терміни і правила проведення

При штучному осіменінні козам вагінальним шляхом із застосуванням спеціальних інструментів вводять сперму самця. Такий метод запліднення самок копитних в сільському господарстві вважається більш зручним і продуктивним, він дозволяє тримати під контролем племінний склад, підбирати кращих особин, запобігати хворобам. Але головна мета штучного розмноження – отримання численного потомства від виробника з потрібними ознаками.

Переваги і недоліки

Штучне осіменіння вигідно для господарства будь-якої величини і спрямованості, має безліч переваг:

• сперму можна отримати від будь-якого самця, навіть знаходиться на іншому кінці планети, так як для транспортування застосовується метод заморожування;
• можливо запліднення кількох кіз, для чого насіннєвий матеріал ділять на необхідну кількість порцій;
• не вимагається наявність статевозрілих козлов;
• підтримується здоров’я поголів’я, так як виключається передача інфекції;
• продуктивність поголів’я підвищується, оскільки донорами сперми стають самі здорові самці.

Цікаве: Ангорський кролик: опис та характеристика породи, правила утримання

Є у методу штучного осіменіння корів і недоліки:

• іноді доводиться довго чекати насіннєвий матеріал з далеких регіонів;
• господар повинен придбати обладнання та облаштувати приміщення, де буде провадитися осіменіння кіз;
• власник кіз може займатися осіменінням тільки за допомогою ветеринара або після проходження навчальних занять;
• вартість процедури виходить чималою, що невигідно для невеликих фермерських господарств.