Создание генетических банков

С каждым годом генетика все больше проникает в различные сферы жизни. Генетические технологии открывают для ученых и общества новые возможности: увеличение продолжительности жизни, расследование преступлений, лечение заболеваний (в том числе онкологических), улучшение качества сельскохозяйственных культур, сохранение биоразнообразия окружающей среды и др. Таким образом, исследователям все чаще необходим генетический материал и систематизированная информация о нём.

Генные или генетические банки, представляющие собой центры для сохранения генетических ресурсов в подходящих условиях для продления их жизни, служат аналогичным целям для сельскохозяйственных организаций и ученых, которые работают над сохранением редких растений и животных. Ученые могут брать образцы генов, чтобы восстановить популяции редких сортов растений и пород животных или увеличить генетическое разнообразие внутри видов.

Целью реферата является общее (на пороге вхождения), изучение темы в разрезе дисциплины «современные проблемы биологии», поэтому мы не будем касаться вопросов истории, политики, экономики, строительства, информационных технологий, этики и других дисциплин, хотя нельзя не упомянуть их немалую важность.

Для начала изучения необходимо выявить основные особенности методов и проблем создания и эксплуатации современных генетических банков, как научных институтов, а также их необходимость для развития современной биологии и её пользы для общества и природы.

В настоящее время, в ходе своей хозяйственной деятельности, человечество сформировало ряд типов генбанков, а также формирует новые. И, прежде чем говорить о создании современных генных банков, рассмотрим основные их типы: полевые генные банки, банки семян, банки пыльцы, банки тканей и банки ДНК.

Полевые генные банки представляют собой возделываемые экосистемы (поля), где генетические ресурсы хранятся в виде живых растений, которые постоянно растут и требуют постоянного ухода. Такие банки используются, когда зародышевую плазму либо трудно, либо невозможно сохранить в виде семян (т.е. когда у растений не образуются семена или для производства семян требуется много лет, как для многих видов деревьев) или, если урожай воспроизводится вегетативным способом.

Полевые генбанки обеспечивают более легкий доступ к генетическим ресурсам растений для характеристики, изучения или использования, в то время как тот же самый материал, сохраненный в форме семян или криогенно, необходимо проращивать или регенерировать и выращивать, прежде чем его можно будет использовать. Они также полезны для сохранения вегетативно размножаемых генотипов, которые легче воспроизводить и идентифицировать в естественных для них полевых условиях.

Однако полевые генные банки, как правило, дороже в обслуживании, требуют больше труда, больше ресурсов и больше площади, чем другие методы сохранения. Они также имеют более высокий уровень риска последствий стихийных бедствий и неблагоприятных условий окружающей среды, таких как засуха, наводнения или нашествия вредителей и влияния болезней.

Поскольку носителями генетической информации полевых банков является живой биоматериал, существует ряд особенностей методов создания и управления, например:

• выбор наиболее подходящих участков по условиям окружающей среды и типу почвы для воспроизведения и хранения вида растений, для хорошей адаптации колонии;
• выбор участков на расстоянии от полей непосредственного возделывания культур, для уменьшения угрозы поражения колонии болезнями и вредителями;
• создание цифровых изображений и гербариев, полезно для идентификации и сравнения морфологии образцов.

Наличие и доступ к разнообразным качественным семенам является ключевым элементом успешного растениеводства, как неотъемлемой части сельскохозяйственной деятельности. Семена обладают способностью воспроизводить виды, способствуют биоразнообразию и позволяют экосистемам адаптироваться к изменчивым условиям обитания.

Коммерческие семеноводческие системы отбирают семена, благодаря которым можно получить наибольшую прибыль. Со временем это приводит к исчезновению разнообразных местных и фермерских сортов, а также к сокращению сельскохозяйственного биоразнообразия.

В свою очередь, в виду нарастающей антропогенной нагрузки, сокращаются дикие территории произрастания.

Это основные причины, по которым необходимо сохранить семена, и именно благодаря этой потребности возникла концепция «банка семян». Таким образом, банк семян определяется как место, где семена хранятся в целях сохранения генетического разнообразия, и поэтому он является своего рода банком генов.

Эксплуатация банков семян не требует значительных, как, например, при использовании полевых банков, экономических затрат. Хранилища, могут вмещать большое разнообразие видов, на сравнительно небольшой площади. Семена, при соблюдении технологий хранения, могут быть жизнеспособными в течение сотен и даже тысяч лет.

Банки семян необходимо постоянно обновлять и следить за репродуктивностью коллекций, что, при наличии большого количества видов может быть значительно затруднено в течение длительного времени эксплуатации хранилищ.

Сегодня в мире существуют тысячи семенных банков. Их коллекции имеют решающее значение для здоровья человека и развития экосистем, в которых мы живем. Войны, конфликты, изменение климата и определенные политические решения создают риски для генных банков, которые видят растущую потребность в обеспечении безопасности своих семенных коллекций более чем в одном месте. Поэтому человечеству необходимо дублировать семенные коллекции по всему миру.

Примером современного банка семян является всемирно известный «Свальбардский глобальный банк семян».

Еще одним типом хранения растительного разнообразия являются банки пыльцы. Создание банков пыльцы значительно сокращает площади садов и питомников для регулярного снабжения пыльцой, и затраты на их содержание.

Цели создания банков пыльцы достаточно специфичны, так как хранение мужских гаметофитов не обеспечивает сохранения всего генома.

Наиболее важным аспектом является хранение «устойчивой» пыльцы фруктовых и лесных деревьев и сельскохозяйственных культур для преодоления географических, сезонных и физиологических барьеров гибридизации (гибридизация растений, культивируемых в разных географических регионах, или показывающих несинхронное цветение). Более того, у некоторых видов растений период цветения очень короткий, а пыльцевые зерна очень недолговечны. У многих плодовых культур с неустойчивой урожайностью контролируемое искусственное опыление сохраненной пыльцой поможет стабилизировать воспроизводство.

Банки пыльцы устраняют необходимость постоянного выращивания мужских линий растений, а также позволяют проводить дополнительное опыление.

Также хранение пыльцы позволяют проводить исследования в течение года, вне зависимости от сезонности цветения.

В наши дни используются обширная методология для поддержания жизнеспособности пыльцы в условиях хранения, выделяют методы краткосрочного и долгосрочного хранения. В основном двухклеточная пыльца может храниться без потери жизнеспособности в течение более длительного времени по сравнению с трехклеточной.

Метод кратковременного хранения пыльцы включает в себя влияние температуры и влажности, а также хранение пыльцы в органическом растворителе.

Как показала практика, пыльца, хранящаяся при низкой температуре, проявила лучшую всхожесть. Криоконсервация пыльцы играет важную роль в программах гибридизации и в сохранении генетических ресурсов в сельскохозяйственной и лесной биотехнологиях и является основой долговременного метода хранения пыльцы.

Банки тканей, создаются для заготовки биологических трансплантатов, и обеспечения им медицинских учреждений.

Выпускаемая тканевыми банками «продукция» (хрящевые трансплантаты, костные, сухожильные, фасциальные, твердая мозговая оболочка, роговичная, жировая и др.) применяется в хирургии, имплантологии, травматологии-ортопедии при трансплантациях, и должна отвечать ряду клинических требований: низкой антигенной активностью, инфекционной устойчивостью, безвредностью и биопластическими свойствами и др.

На данный момент самым эффективным подходом по сохранению тканей человека для клинических целей, является хранение собранных образцов при пониженных температурах.

В современной имплантологии, можно выделить 4 уровня «глубины» технологических разработок в изготовлении биопластических материалов.

На первых двух уровнях подготовка донорских тканей не требует глубокой переработки с точки зрения микробиологии, поэтому, в рамках реферата касаться их не будем.

Однако, третий и четвертый уровень подразумевают создание синтетических биокомпозиционных материалов, при помощи таких методов, как стериолитографическое копирование тканей, технологии создания 3-х мерных имплантатов, жидкостно-распределительное моделирование и фазовоизменяющее создание имплантатов.

Соединение этих методов позволяет с высокой точностью копировать тканевые объекты и создавать материалы с четко определенными размерами, геометрией и распределением пор, а так же полностью воспроизводить архитектонику органного участка и его внутренних каналов в создаваемых имплантатах.

Благодаря опыту, накопленному в процессе многолетней работы банков тканей, активно развивающейся микробиологии и скакнувшим вперед технологиям разных отраслей, со временем, люди смогут поставить на поток такие перспективные биоинженерные технологии, как 3D-биопринтинг и выращивание органов, что позволит людям уменьшить транспортировочные расходы, проблемы отторжения тканей и решить некоторые этические аспекты…

Как видим из предыдущей главы, изучение и сохранение биоматериалов распространяются не только на растительный, но и на животный мир.

Биологический материал можно заморозить при помощи криоконсервации, и, таким образом, обеспечить сохранение генофонда исчезающих животных как ресурса биоразнообразия планеты. Криоконсервация — достаточно сложный метод, и мы рассмотрим его в отдельной главе. Не каждый вид одинаково поддается заморозке, поэтому необходимо разрабатывать собственный метод консервации генома для каждого вида.

В настоящее время при многих крупных музеях, заповедниках, научных институтах и других учреждениях создаются генные банки.

Очень важной для человечества задачей молекулярной биологии считается расшифровка и кодирование генома (в первую очередь генома человека). Поэтому в ведущих странах мира начинают кластеризоваться генные банки ДНК — крупные технологические научно-исследовательские центры, в которых, при помощи криотехнологий, хранятся образцы ДНК и тканей людей, сельскохозяйственных и диких животных и растений.

Благодаря усовершенствованию методов исследований и развитию глобальных связей, исследование генома удешевляется, становится более доступным и масштабируется. Международная коллаборация баз данных нуклеотидных последовательностей способствует накоплению генетической информации в огромных объемах, которые обновляются ежедневно.

Для многих стран создание генных банков выливается в национальные проекты, а затем они становятся системообразующими для мировой науки. В частности, минувшим летом, Президент России В. Путин поручил правительству РФ создать национальную систему генетической информации, и наладить производство отечественного оборудования проведения для генетических исследований.

Как видим из вышеприведенных глав, человечество накопило обширный опыт в области создания генных банков. Сейчас, в эпоху глобализации, банки данных ДНК являются наиболее современными и всеохватывающими организациями, работающими с беспрецедентными объёмами материалов и информации, поэтому далее, особенности создания современных генных банков будем рассматривать на их примере.

Генетические исследования, проводимые при помощи генных банков, позволяют повысить качество селекции в сельском хозяйстве для получения лучших, более устойчивых сортов растений и пород животных, позволяют решать очень широкий спектр медицинских задач в области регенеративной медицины, травматологии, хирургии, изучении наследственных заболеваний, лечения бесплодия, онкологии и многих других.

Криминалистика и судебная медицина также прибегают к данным генных банков в генетической дактилоскопии при расследовании преступлений против жизни и здоровья человека (уникальная часть генома человека уже активно используется, как отпечатки пальцев).

ДНК-анализ используется при установлении отцовства, материнства, родства. В медицине катастроф.

Изучение генов, стволовых клеток и их воспроизводство, позволит в будущем выращивать «мясо из пробирки», продлевать жизнь людей и животных.

Генные банки являются своего рода «Ноевым ковчегом» биоразнообразия. В них на века и тысячелетия можно сохранить генетическое наследие Земли и уберечь его от меняющихся воздействий внешней среды, прежде всего, природных катаклизмов и войн. Так, например, созданная еще в 20 годы XX века Коллекция семян культурных растений Вавилова существует уже порядка ста лет, пережила блокаду Ленинграда, распад СССР, и по сей день постоянно пополняется и обновляется коллекционными образцами, участвует в международном обмене (образцы из коллекций предоставляются селекционерам, для ведения научной селекционной работы в рамках договоров, действующих согласно законодательства).

Еще одним примером хранилища посадочного материала является современное глобальное семенохранилище в Норвегии (Всемирное семенохранилище на Шпицбергене). Расположенное в сейсмически стабильном районе, значительно выше уровня моря, в шахте, в толще скалы, на глубине 130 метров, погруженное в вечную мерзлоту, это хранилище, тем не менее, доступно для авиасообщения, и организации всемирного пополнения и обмена. Хранилище вмещает 4,5 миллиона сортов сельхозкультур. Планируется, что каждый сорт будет содержать в среднем 500 семян, поэтому в Хранилище можно хранить не более 2,5 миллиардов семян.

Напомним, что как было описано ранее, выращивание и сохранение редких сортов растений, без семян, а также растений с длинным вегетативным периодом производится в специальных полевых банках.

Сохранение численности редких видов животных посредством искусственного разведения проводится в питомниках, зоопарках и заповедниках.

В генетических банках сохраняются образцы генов тех видов диких животных, которые исчезают, а также пород домашних животных, которые прежде всего редкие и не востребованные в данный момент, но ценные в генетическом отношении. Еще, в отношении биомедицинских исследований, концепцию «банк генетических ресурсов» принято трактовать как банк линий лабораторных животных (прежде всего домовых мышей, крыс, кроликов и хомяков), что подразумевает консервацию не только «дикого типа» того или иного вида, но и его искусственных, генетически закрепленных форм.

Работа с генетическими материалами включает в себя не только изучение, но редактирование геномов, что проливает свет на такие научные вопросы, как «Происхождение жизни на Земле», «Происхождение человека» «Биологическая систематика», «Клонирование», «Преодоление старения», «Создание искусственной жизни» и даже «Происхождение языков» и др.

При помощи генных банков будущего, люди смогут снабжать себя всеми необходимыми биоматериалами при колонизации других планет, Марса и спутников Юпитера, распространяя жизнь по Вселенной. К примеру, китайские ученые уже запустили небольшой генный банк на орбиту, где генный материал, полученный от восьми граждан Китая, будет храниться на протяжении тысячи лет. Он помещен в контейнер, который не подвержен воздействию космической радиации.

Головной технологией генных банков является криоконсервация или криоархивирование — это заморозка и хранение биологических объектов при низких температурах, с возможностью их размораживания и восстановления. Сперма, эмбрионы, ооциты, соматические клетки, ядерная ДНК и другие типы биоматериалов, такие как сыворотка и кровь, могут храниться с использованием криоконсервации, чтобы сохранить их генетические материалы.

Преимущество метода криоконсервации — это способность сохранять зародышевую плазму в течение продолжительных периодов времени, тем самым поддерживая генетическое разнообразие вида или породы.

Есть два распространенных метода криоконсервации: медленное замораживание и витрификация.

Во время медленного замораживания вода постепенно покидает клетку биоматериала в среду заморозки в процессе осмоса, что позволяет избежать образование внутриклеточных кристаллов льда.

Процесс витрификации — быстрой заморозки, протекает аналогично медленной, но используется более концентрированная среда заморозки, поэтому позволяет заморозить биоматериал быстрее.

Для эффективной криоконсервации клетки замораживаемых объектов должны быть насыщены криопротекторами — веществами, уменьшающими криоповреждения.

Витрификация считается более эффективным методом замораживания зародышевой плазмы.

Как правило, криоконсервацию осуществляют при температуре −196 °C, помещая капсулы с биологическими объектами в жидкий азот.

Сохранение живых объектов при температурах около нуля градусов традиционно не относят к криоконсервации.

Использование низких температур обеспечивает остановку биохимических процессов в клетках, в том числе останавливается обмен веществами и энергией с внешней средой, благодаря этому, живые объекты могут сохраняться сколь угодно долго.

Отдельным направлением работы генных банков (не всех) является расшифровка последовательностей ДНК и заключается в следующих этапах:

1. Сбор генетического или получение биоматериала;
2. Проверка материала на содержание инфекций и вирусов;
3. Выделение ДНК;
4. Синтез (увеличение количества) ДНК;
5. Секвенирование. Определение последовательности ДНК. Выделяются участки ДНК для более глубокого анализа, либо вся цепочка для комплексного исследования.

В результате секвенирования получают описание первичной структуры ДНК или участка ДНК в виде текста, который записывается на носитель информации (жесткий диск).

Секвенирование проводится в специальных аппаратах — секвенаторах, которые различаются по методам секвенирования, её скорости, стоимости производства.

Высокая скорость секвенирования, достигаемая с помощью современных технологий, сыграла важную роль в расшифровке полных последовательностей ДНК многих типов и видов жизни, включая геном человека. Впервые о полной расшифровке генома человека ученые объявили в апреле 2003 года. С тех пор скорости секвенирования настолько выросли, что генотип человека теперь можно секвенировать за один день.

Следует отменить, что не все части генома человека были расшифрованы, и работа по расшифровке ведется по сей день, на что тратятся огромные цифровые ресурсы по всему миру.

На данный момент Университет Джона Хопкинса аккумулирует данные о расшифровке и публикует их на сайте организации «Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM)». Как утверждается OMIM, сейчас открыто 25 645 генов генома человека, описано 16 377, соотнесено с фенотипом 5 937, не соотнесено 1 414 (то есть известно, за какие наследственные признаки отвечает около 6 000 генов).

Из приведенного выше исследования можно заключить, что генные банки являются опорой генетических исследований, которые, все больше проникая во многие сферы человеческой жизни, являются приоритетным и многообещающим направлением современной науки.

Для создания централизованной системы генных банков в России необходимо государственное участие. При создании единой системы необходимо учитывать отраслевую специфику генетических изысканий и сформировать централизованную систему сбора биоматериалов под контролем следующих министерств:

1. Министерство здравоохранения;
2. Министерство сельского хозяйства;
3. Министерство природных ресурсов и экологии;
4. Министерство обороны;
5. Министерство внутренних дел;
6. МЧС России;
7. Министерство спорта.

В административном центре каждого субъекта РФ необходимо создать центральный генный банк для хранения и анализа собирающихся материалов. При необходимости создать в районных центрах пункты хранения и анализа на базе уже имеющейся в распоряжении министерств инфраструктуры.

Все центральные банки, в свою очередь, должны подчиняться единому координационному центру, созданному Министерством науки и высшего образования. Этот центр необходимо создать в Екатеринбурге.

Для обработки и анализа накапливаемых данных каждый центральный генный банк необходимо снабдить собственным дата-центром с возможностью распределенных вычислений и обмена данными, что должно быть поручено Министерству цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Необходимо наладить производство соответствующего оборудования с расчетом дальнейшего перехода от импортозамещения к экспортоориентации.