Понятие о генетике и ее практическое значение

Генетика (от гр. geneticos — относящийся к происхождению) — на­ука о наследственности и изменчивости. Она изучает материальные основы наследственности, типы размножения организмов, роль бел­ков в жизненных процессах клетки, биологический синтез белка, ге­нетические основы индивидуального развития, мутационные процес­сы, изменчивость организмов и др. Генетика разрабатывает методы управления наследственностью и изменчивостью с целью получения нужных человеку форм растений, животных, микросуществ, предла­гает приемы направленного воздействия на индивидуальное развитие организмов.

Считают, что органическая жизнь на Земле возникла 3,5 млрд лет тому назад. Первую попытку объяснить историю органической приро­ды сделал Ж. Л. Бюффон (1707—1788). Затем изучением наследствен­ности и изменчивости занимался Ж. Б. Ламарк (1744-1829). Он пред­ложил первую эволюционную теорию и пытался ее доказать.

Большое влияние на возникновение и формирование генетики как науки оказали работы Ч. Дарвина (1809—1882). Он показал, что в ос­нове эволюции лежит действие изменчивости, наследственности и от­бора. Дарвин изложил свою теорию в труде «Происхождение видов путем естественного отбора при сохранении благоприятствуемых по­род в борьбе за жизнь» (1829). Ч.Дарвин выдвинул так называемую «временную гипотезу пангенезиса», сущность которой сводилась к тому, что в половые клетки стекаются со всех органов и тканей тела особые зачатки «геммулы», которые и являются представителями определен­ных частей организма. Однако наблюдения, опыты, практика этого не подтвердили, но в догадке Ч. Дарвина были ценные мысли. Он пред­ставлял наследственность в виде отдельных элементов, корпускул, су­ществующих отдельно друг от друга. По мнению Дарвина, некоторые «геммулы» могут быть в скрытом состоянии и проявляться в следующих поколениях. Эти представления ученого подтверждаются современной генетикой.

Однако основоположником генетики считают Г. И. Менделя (1822— 1884). В 1865 г. в обществе естествоиспытателей г. Брно (Чехия) он доложил результаты своих опытов над растительными гибридами. Уче­ный показал, что наследственность дискретна (делима). Отдельные признаки развиваются на основе материальных наследственных фак­торов и могут наследоваться независимо друг от друга. Г. Мендель на­писал книгу под заглавием «Опыты над растительными гибридами» (1865), где изложил результаты своих экспериментов и открытые им законы наследования — закон доминирования, закон расщепления признаков в потомстве и закон независимого распределения наследс­твенных факторов при расщеплении. Эти законы переоткрыли в 1900 г. три ботаника — голландец Г. Де Фриз, немец К. Корренс, австриец Э. Чермак, поэтому этот год считается официальной датой рождения ге­нетики. Это название науке о наследственности и изменчивости было дано в 1907 г. английским генетиком В. Бэтсоном.

В истории развития генетики выделяют три этапа. Первый этап свя­зан с подтверждением открытий Г. Менделя. Датируется этот этап с 1900 по 1925 г. В это время было доказано, что законы наследственности едины для всего органического мира, в том числе и для микроорганиз­мов. Датский генетик В. Иогансен ввел в генетику понятия «ген», «ге­нотип», «фенотип» (1909).

Второй этап (1925-1953) связан с установлением материальных ос­нов наследственности. Была обоснована хромосомная теория наследс­твенности и установлено, что наследственные факторы находятся в хромосомах и расположены в них в линейном порядке. В 1944г О. Эвери доказал, что материальным носителем наследственности яв­ляются не белковые компоненты хромосомы, а ее ДНК.

Третий этап в истории развития генетики начался с 1953 г, когда английский ученый Ф. Крик и американский Дж. Уотсон создали мо­дель строения ДНК. В последующие годы были выявлены мутации, изучен механизм синтеза ДНК и РНК, установлены молекулярная структура нуклеиновых кислот и их значение в передаче генетической информации, открыт механизм синтеза белка, расшифрован генети­ческий код и выяснена его роль в жизнедеятельности организмов, более глубоко изучена структурная организация клетки и функциональная роль ее отдельных компонентов.

Генетика микроорганизмов — это наука о наследственности микроор­ганизмов, их наследуемой и ненаследуемой изменчивости. Она изучает организацию различных структур микробной клетки и их функциони­рование, цитологические и биохимические основы наследственности, мутагены различной природы, фенотипическую и генотипическую из­менчивость, внехромосомные генетические детерминанты (плазмиды), законы наследования и др.

Датой рождения генетики микроорганизмов считают 1943 г, когда появились работы С. Луриа и М. Дельбрюка, которые показали, как сле­дует проводить опыты с микробами, вести учет их признаков, проводить количественный анализ результатов. Микробы (бактерии, грибы, про­стейшие) оказались удобной моделью для проведения генетических ис­следований. Они были использованы как наиболее подходящий объект для изучения природы генетического материала, его организации и фун­кционирования с учетом их особенностей.

Микробы гаплоидны, у них одна хромосома. Она представляет собой молекулу нуклеиновой кислоты, не связанной с белком. Большинство бактерий делятся через 20—30 мин, дают многочисленное потомство. Это позволяет уловить генетические события с частотой — одно собы­тие на 1 млн клеток. Микробам присущ половой и бесполый способы размножения. Микробы обладают рядом хорошо регистрируемых при­знаков: форма, размер колоний, окраска, характер поверхности и т. п. Важным преимуществом микроорганизмов как удобного объекта для генетических исследований является их относительно простое хими­ческое строение, простота культивирования, возможность воздейство­вать на условия выращивания клеток, высокая частота мутаций, спо­собность к комбинированной и мутационной изменчивости.

Благодаря использованию в генетических исследованиях микроор­ганизмов, генетика была обогащена рядом выдающихся открытий: установлена химическая природа наследственного материала, решена проблема генетического кода, изучена структура гена, расшифрован способ репликации ДНК, установлены механизм мутаций и реплика­ций, выявлено наличие информационной РНК и т. п. Достижения в об­ласти генетики микроорганизмов явились основой для создания ген­ной инженерии — важнейшей прикладной отрасли во многих сферах человеческой деятельности.

Генетика микроорганизмов имеет большое практическое значение. Генетические знания позволяют сознательно, целенаправленно селек ционировать микробы с заданными свойствами, изменять их биологи­ческие свойства, понижать вирулентность, получать высокоиммуногенные штаммы, создавать эффективные профилактические, лечебные и диагностические препараты.

С помощью методов генетики можно получить полезные штаммы, формы, варианты бактерий-продуцентов антибиотиков, витаминов, ферментов, гормонов, ростовых факторов, кислот, кормового белка и других ценных веществ. Генетические знания являются основой для получения рекомбинантных молекул ДНК с заданной генетической информацией и разработки способов переноса их в клетки прокариотов и эукариотов. Например, из организма человека выделены гены, син­тезирующие инсулин и интерферон, а затем эти гены перенесены в ге­ном Е. coli. В результате бактерии стали продуцировать упомянутые вещества. Следует подчеркнуть, что возможности микробиологическо­го синтеза весьма велики, так как время деления микробной клетки составляет 0,3-2 ч, а скорость образования биомассы в 500 раз выше, чем у растений, и в 1000 раз больше, чем у животных. Одна микробная клетка синтезирует около 100 000 молекул белка в минуту. Такой высо­кой производительностью не обладает ни один современный органи­ческий синтез, предложенный человеком.

Можно с уверенностью утверждать, что генетика вообще, а генетика микроорганизмов в частности является фундаментом для генетической инженерии — основы биотехнологии. Биотехнологию можно опреде­лить как сферу деятельности, которая на основе изучения процессов жизнедеятельности живых организмов, главным образом клеток мик­роорганизмов, животных и растений, использует эти процессы и сами объекты для промышленного производства продуктов, необходимых в жизни человека, а также получения биоэффектов, ранее не встречав­шихся в природе.