Hayotni prokariot va hujayrasiz shakllarida gen muhandisligi

Hayotni prokariot va hujayrasiz shakllarida gen muhandisligi
Reja
1.Mikroorganizmlar asosida biotexnologik jarayonlar yaratish usullari.
2. Produsentlarni yaratish usullari.
3. Mikroorganizm – produsentlarni gen muxandisligi usullari yordamida yaratish
Mavzu bo‘yicha tayanch so‘z va iboralar: prokariotlar, aktinometsitlar, rikketsiyalar, tuban eukariotlar, transduksiya, transformatsiya.
Ma’ruza mavzusi bayoni
Biotexnologiya sanoatida produsent sifatida prokariotlar – (bir hujayrali, yadrosi mukammal bo‘lmagan organizmlar) – bakteriyalar, aktinomisetlar, rikketsiylar va tuban eukariotlar (bir va ko‘p hujayrali, yadrosi mukammal, xromosomalari maxsus lipoproteid tabiatli membranalar bilan o‘ralgan) – achitqi va miselial zamburug’lar, eng sodda jonivorlar va suv o‘tlari hamda ularni har xil usullar (seleksiya, mutagenez, hujayra va gen muxandisligi) orqali olingan mutantlaridan foydalaniladi. Bugungi kunda biotexnologik jarayonlarda tabiatda tarqalgan 100 mingdan ortiq turkumga mansub bo‘lgan mikroorganizmlardan faqatgina bir necha yuztasi ishlatiladi xolos. Mikrobiologiya sanoatida ishlatish uchun tavsiya etiladigan produsentlarga katta talablar qo‘yadi, ularning umumiylari quyidagilardan iborat:
o‘sish tezligining balandligi,
arzon oziqa muhitida o‘sishi,
boshqa mikrofloraga va fagga chidamliligi,
yuqori hosildorligi.
Produsentlarni yaratish usullari
Mikroorganizmlarning tabiiy shtammlarini hosildorligi ko‘pincha talab darajasidan past bo‘ladi. Hosildor shtammlar yaratish uchun yo‘naltirilgan seleksiya - usulidan foydalaniladi. Buning uchun kimyoviy mutagenlar yoki radiasion nurlardan foydalaniladi. Seleksiya va tanlov ishlari ba’zida yillab vaqt egallaydi va natijada mikrob hosildorligini 100 va undan ham ko‘proq marotabalab oshirish mumkin bo‘ladi. Masalan, hozirgi davrda sanoat usulida ishlatib kelinayotgan penisillin antibiotigi sintez qiladigan produsentning faolligi dastlabki shtammlarga qaraganda 10 ming marotabadan oshib ketgan. Yuqori faollikga yoki hosildorlikga ega bo‘lgan shtamm yaratish uchun seleksioner, tabiiy shtammni genetik materiallarini o‘rganish borasida o‘ta murakkab, o‘ta nafis ishlarni amalga oshirishi lozim bo‘ladi. Bunda, genlarni rekombinasiyasi bilan bog’liq bo‘lgan barcha usullardan, xususan: kon’yugasiya, transduksiya, transformasiya va boshqa genetik jarayonlardan foydalanishga to‘g’ri keladi. Masalan, kon’yutgasiya usuli (bakteriyalar orasida genetik materiallar bilan almashish), neft qoldiqlarini faol parchalovchi Pseudomonas putida shtammini yaratishda samarali foydalanilgan edi. Ko‘pincha transduksiya (bakteriya viruslari-bakteriofaglar yordamida bir bakteriyadan boshqa bakteriyaga genlar o‘tkazish) va amplifikasiya (kerakli genlarni nusxa sonini ko‘paytirish) usullaridan keng foydalanish orqali har xil fiziologik faol moddalar sintez qiluvchi hosildor shtammlar yaratilgan. Ko‘pgina mikroorganizmlarda antibiotik sintez qiluvchi genlar va ularni boshqaruvchilari xromosomalarda emas, balki plazmidalarda (xromosomadan tashqaridagi DNK) joylashgan bo‘ladi. Bunday paytda amplifikasiya orqali hujayradagi plazmidalar sonini ko‘paytirish orqali shtammlarni hosildorligini oshirish mumkin. Seleksiya ishlarini yana bir yo‘li bu har-xil bakteriyalar protoplastlarini bir-biriga birlashtirish natijasida genetik rekombinantlar olish yo‘lidir.Masalan: Streptomyces reptomyces bakteriyasining ikki xil shtammlaridan olingan protoplastlarni bir-birlariga birlashtirish oqibatida S-rifamisin sintez qiluvchi hosildor shtamm yaratilgan. Rifampisin sintez qilmaydigan Nocardia mediterranei shtammlari protoplastlarini birbirlariga qo‘shish oqibatida rifampisinni 3 yangi hosilasini sintez qiluvchi shtamm yaratilgan. Protoplastlarni qo‘shilishi orqali tabiiy sharoitda bir-birlari bilan qo‘shilmaydigan mikroorganizmlarni genetik materiallarini birlashtirish ham mumkin.
Mikroorganizm – produsentlarni gen muxandisligi usullari yordamida yaratish
O‘tgan asrning 70 – yillarida biotexnologiyada yangi tajriba texnologiyasi – genetik (gen) muxandislik yaratildi. Bu usulning asosida hujayradan tashqarida rekombinant DNK yaratish yotadi. Bu texnologiyadan foydalanish oqibatida genlarni sof holda ajratish, ularni modifikasiya qilish, birini ikkinchisiga ulash, “genlar majmuasi” yaratish, oqibatida butunlay yangi xususiyatiga ega bo‘lgan oqsil sintez qilish imkoniyati yaratildi va uni oqsillar muhandisligi deb ataladi.
Vektor gen bilan ligaza fermenti yordamida birikkandan keyin rekombinant DNK hosil bo‘ladi. Keyin, bu birikma (vektor gen) mikroorganizm hujayrasiga yuboriladi (transformasiya) va u erda amplifikasiya (ko‘payish) amalga oshadi. Natijada bir genning bir necha nusxasi – klon paydo bo‘ladi. SHuning uchun ham bu yo‘lni klonlash deb ataladi. Agar klonlash maqsadida hamma genlar saqlovchi odam DNK si ishlatilsa, odamning gen kutubxonasi (klonoteka) hosil bo‘ladi. Bu usulda bakteriyalarga klonlashtirilgan inson, hayvon yoki o‘simliklar genlari to‘g’ridanto‘g’ri bakteriyada faoliyat ko‘rsata olmaydi. Ishlash uchun esa, ularni bakteriyadan ajratish, bakteriya genini boshqaruvchisi (regulyatori) bilan jihozlash va qaytadan bakteriyaga kiritish zarur. Bugungi kunda har xil genlar saqlovchi va kerakli maxsulot sintez qiluvchi bir qator transgen bakteriyalar yaratilgan va muvaffaqiyat bilan ishlatilib kelinmoqda. SHu sababli ham tabiiy shtammlar yordamida olinadigan maxsulotlar (birinchi avlod maxsulotlari) bilan bir qatorda transgen shtammlar yordamida rekombinant oqsillar (ikkinchi avlod maxsulotlari)ni sanoat miqyosida ishlab chiqarish yo‘lga qo‘yilgan. Biologik maxsulotlarni uchunchi avlodi – tabiiy oqsillarning vazifalarini to‘liq bajara oladigan, ammo tabiiy bo‘lmagan maxsulotlarni sintez qilish natijasida paydo bo‘ladi. Gen–muxandisligi usullari (rekombinant DNK texnologiyasi) tibbiyot uchun zarur bo‘lgan, qimmatbaho oqsil moddalari ishlab chiqarish yoki ko‘p tonnalik oqsil moddalari ishlab chiqarish jarayonlarida keng qo‘llanib kelinmoqda. Eng avvalo inson organizmida sintez bo‘ladigan va dorivor modda sifatida ishlatiladigan oqsil va peptidlarni sintez qilishni yo‘lga qo‘yish katta ahamiyat kasb etadi. Gen muxandisligi muammolari bilan shug’ilanadigan omillarni asosiy vazifalaridan biri ham shunday birikmalarni etarlicha sintez qila oladigan bakteriyalar shtammlarini yaratishga bag’ishlangan. Bu jarayonni asosiy qiyinchiliklari, shtamm yaratish bilan bog’liq emas, balki, yaratilgan shtammda sintez qilingan oqsil moddalarini kerakli me’yorda ushlab turish, ularni modifikasiyaga uchrab, mikroorganizm hujayrasida parchalanib ketmasligi uchun sharoit yaratish bilan ham uzviy bog’liqdir.
Hozirgi vaqtda qaysi produsent mikroorganizmdan foydalangan holda foydali maxsulotlar olish mumkinligini aniq ko‘rsatib berish mumkin. Agarda bunday produsent bo‘lmasa, qay tariqada va qanday sharoitda yuqori darajada istalgan turdagi maxsulotni olish xususiyatni namoyon qiluvchi produsentni yaratish mumkinligini oldindan aytib berish imkoniyatlari mavjuddir. Biotexnologik ishlab chiqarishda bugungi kunda mikroorganizmlarni minglab shtammlaridan foydalanilmoqda. O‘zbekiston respublikasi mustaqillikka erishgandan so‘ng qishloq xo‘jaligi, xalq xo‘jaligi va oziq-ovqat ishlab chiqarish sohasiga bo‘lgan munosabat tubdan o‘zgardi. SHu boisdan oziqovqat maxsulotlari ishlab chiqarish sohasi mutaxassislari jahon xalq xo‘jaligida keng ko‘lamda qo‘llanilayotgan biotexnologiya fanini zamonaviy ko‘rinishlaridan biri bo‘lgan gen muxandisligi usullarini mukammal egallashilari va amaliyotga tadbiq eta olishlari lozim. Biotexnologiyada gen muxandisligi sohasini o‘rganishdan maqsad, tirik organizmlar irsiy belgilari xaqidagi axborot joylashgan DNK molekulasining tuzilishi va roli, gen molekulyar biologiyasi; genetik muxandislikning moddiy asoslari: transformasiya, transduksiya, ko‘chib yuruvchi genetik elementlar-transpozonlar, plazmidlar, viruslar, bakteriofaglar, restriktazalar, rekombinant DNK olish, genlarni klonlash, hujayra muxandisligi, hujayra va to‘qimalarni sun’iy sharoitda o‘stirish texnologiyasi; genetik muxandislikning o‘simliklar seleksiyasida qo‘llanilishi; gen muxandisligiga asoslangan biotexnologiyaning agrar sanoatdagi ilmiy-texnik taraqqiyotni tezlashtirishdagi roli; gibridomalar olish texnologiyasi va uning qishloq xo‘jaligida va chorvachilikda qo‘llanilishi hamda genetik muxandislikning istiqbollari haqidagi aniq bilimlarni o‘rganishdan iborat. Ushbu fanning asosiy vazifasi zamonaviy gen muxandisligi yutuqlarini xalq xo‘jaligi amaliyotida keng ko‘lamda qo‘llashdan iborat. Tirik organizmlar irsiy axborotini sun’iy yo‘l bilan ma’lum maqsadga muvofiq o‘zgartirish jarayoni genetik muxandislik fanining asosiy ustqurmasi hisoblanadi.
Genetik muxandislik hujayra, xromosoma va gen darajasida amalga oshiriladi:
1. Hujayra darajasidagi genetik muxandislik ikki hujayrani o‘zaro qo‘shish yo‘li bilan amalga oshiriladi.
2. Xromosoma darajasidagi genetik muxandislik hujayra yadrosiga qo‘shimcha xromosomalar kiritish orqali amalga oshiriladi.
3. Gen darajasidagi genetik muxandislik yoki gen muxandisligi eng murakkab bo‘lib, quyidagi bosqichlar asosida amalga oshiriladi:
a. qimmatli xo‘jalik ahamiyati kasb etadigan gen funksiyasi orqali qidirib topiladi, ajratib olinadi, klonlanadi va tuzilishi o‘rganiladi.
b. Ajratib olingan gen xromosoma DNK si bilan rekombinasiyalanuvchi biror fag genomi, traspozon yoki plazmid DNK si bilan biriktirilib vektor konstruksiya yaratiladi.
s. Vektor konstruksiya transformasiya usuli bilan hujayraga kiritiladi va transgen hujayra olinadi.
Transgen hujayradan sun’iy ravishda etuk o‘simlik o‘stiriladi. Ushbu usuldan foydalanib o‘simlik, hayvon va mikroorganizmlar hujayralaridan transgen formalar olish mumkin. Biotexnologiyada gen muxandisligi yutuqlarini chuqur o‘rganish va ulardan oqilona foydalanish transgen o‘simliklar va hayvonlar olish biotexnologiyasining yuzaga kelishida asosiy omil bo‘lib xizmat qildi. Bu usul bilan qimmatli xo‘jalik ahamiyatiga ega bo‘lgan bir qator o‘simliklar va nasldor qoramol klonlari yaratildi. Hujayra muxandisligi usullaridan foydalanib, tirik organizmlardan gibrid hujayralar olish biotexnologiyasi yaratildi va bu asosida monoklonal antitelalar olish yo‘lga qo‘yildi. Biotexnologiyaning bu sohasiga dastlabki qadamlar 1973 yil birinchi gen klonlangan vaqtdan boshlab qo‘yilgan edi.
Gen muxandisligi biotexnologiyasining yutuqlari sanoat ko‘lamida va qishloq xo‘jaligida keng qo‘llanilmoqda. Xususan, antibiotiklar, aminokislotalar, vitaminlar va gormonlar ishlab chiqarilmoqda, nasldor qoromol klonlari yaratilmoqda, tuproqda va suvda zaharli pestisid qoldiqlarini parchalaydigan mikroorganizmlarni transgen shtammalari olinmoqda, atmosfera azotini o‘zlashtiruvchi mikroorganizmlar genlari asosida tuproqni azotli o‘g’itlar bilan boyitish muammosi echilmoqda, zararli xasharotlarga va patogen mikroorganizmlarga chidamli, ekologiyani asrovchi transgen o‘simlik navlari etishtirilmoqda, irsiy kasalliklarni tezkor tashxis qilish uchun diagnostikumlar tayyorlanmoqda, shuningdek, gen terapiya takomillashtirilmoqda. Bugungi kunda genetik muxandislikka asoslangan biotexnologiya tezkor oshib borayotgan, inson extiyojlarini qondirish uchun klassik texnologiyalardan o‘ta samarali ekanligini to‘la namoyon qilmoqda. Bakteriyalar odatdagi vorsinkalardan tashqari, uzun ipsimon vorsinkalar – pili ham saqlashi mumkin. Pilini diametri 3-10 nm, uzunligi 10 mkm. Ular eng oddiy jinsiy jarayon-konyugatsiya jarayonida DNKni bir bakteriyadan, boshqasiga uzatishda ishlatilishi mumkin. Prokariot va eukariot hujayralarni tuzilishidagi katta farq, ularni hayot - faoliyatlariga ham ta’sir etmasdan qolmagan. Ko‘plab prokariotlarda oksidlanish jarayoni bijg‘ish bilan chegaralangan. Ba’zi-bir prokariot organizmlar atmosfera havosidagi azotni fiksatsiya qilish xususiyatiga ega. Avtotrof prokariotlarda fotosintez jarayoni, ularni hujayra membranalarining qatlamlarida sodir bo‘ladi. Prokariot organizmlarni bunday noyob xususiyatlari, nanotexnologiya sohasida faoliyat ko‘rsatib kelayotgan olimlar va konstruktorlarni qiziqtirmasdan qolmadi.
Bitta bakteriyani sirtiga yuzlab nanobo‘lakchalar joylashtirish mumkin. Mana shu xususiyatdan foydalanib, diagnostika vositalarini dorivor moddalar bilan birga bakteriyalarga “yuklash” mumkin bo‘ladi. Bunday hollarda, dori yetkazilgan organni (hujayrani) holatini kuzatib borish imkoni tug‘iladi.
Gen yoki dorivor moddani o‘ziga “ortib olgan” bakteriya hujayra plazmalemmasi bilan aloqaga kirganda, membrana bakteriyani o‘rab oladi va bakteriya pufakchasimon membranaga o‘ralgan ko‘rinishda, hujayraga mustahkam bog‘lanib oladi. Keyin bu pufakcha hujayraga kiradi. Ma’lum vaqt o‘tgandan keyin, bakteriya pufakchani membranasini parchalaydi va foydali yuk bilan hujayra sitoplazmasini ichiga kirib oladi. Yetkazilgan yuk dorivor modda sifatida o‘z ta’sirini boshlaydi. Agar DNK bo‘lakchalari (genlar) kiritilgan bo‘lsa, ular hujayra yadrosiga kirganlaridan keyin, ma’lum vaqt o‘tgach o‘z faolligini namoyish qila boshlaydi.