Мета роботи:ознайомити студентів з основними положеннями сучасної клітинної теорії; розглянути досягнення і перспективи сучасних цитотехнологій.
Обладнання й матеріали:підручник,таблиці «Будова рослинної клітини», «Будова тваринної клітини», «Мітоз», «Мейоз».
Студенти повинні знати: можливості та перспективи використання цитотехнологій та гістотехнологій.
Студенти повинні уміти: робити висновокпро те, що організм - відкрита цілісна система, здатна до саморегуляції; .
Базові поняття й терміни:клітина, клітинна теорія, взаємодія клітин, диференціація клітин, стовбурові клітини.
Під час вивчення матеріалу потрібно звернути увагу на такі моменти.
Цитотехнології. Клітинна інженерія
Створення клітин нового типу на основі їх гібридизації, реконструкції і культивування. У вузькому значенні слова під цим терміном розуміють гібридизації протопластів або тваринних клітин, у широкому - різні маніпуляції з ними, направлені на розв’язання наукових і практичних задач. Є одним з основних методів біотехнології. Використовується для розв’язання теоретичних проблем у біотехнології, для створення нових форм рослин, що володіють корисними ознаками й одночасно є стійкими до хвороб.
Гібридизація соматичних клітин
В основі методу лежить злиття клітин, унаслідок чого утворюються гетерокаріони, що містять ядра обох батьківських типів. Гетерокаріони, що утворилися, дають початок двом одноядерним гібридним клітинам. Таку штучну гібридизацію можна здійснювати між соматичними клітинами, що належать далеким у систематичному відношенні організмам, і навіть між рослинними і тваринними клітинами. Гібридизація соматичних клітин тварин зіграла важливу роль у дослідженні механізмів реактивації генома і ступеня фенотипічного вияву (експресивності) окремих генів, клітинного поділу, у картируванні генів у хромосомах людини, в аналізі причин злоякісного переродження клітин. 3 допомогою цього методу створені гібридоми, що використовуються для отримання моноклональних (однорідних) антитіл
Реконструкція клітин
Змінювати властивості клітин можна, вводячи клітинні органели (ядра, хлоропласти), ізольовані з одних клітин, у протопласти інших клітин. Так, одним зі шляхів активізації фотосинтезу рослинної клітини може служити введення в неї високоефективних хлоропластів. Штучні асоціації рослинних клітин з мікроорганізмами використовують для моделювання на клітинному рівні природних симбіотичних відносин, що відіграють важливу роль у забезпеченні рослин азотним живленням у природних екосистемах
Реконструкцію клітин проводять також шляхом злиття клітинних фрагментів (без’ядерних, каріопластів з ядром, мікроклітин, що містять лише частину генома інтактної клітини) один з одним або з інтактними (непошкодженими) клітинами. У результаті отримують клітини з різними властивостями, наприклад цибриди, або клітини з ядром і цитоплазмою від різних батьків. Такі конструкції використовують для вивчення ролі цитоплазми в регулюванні активності ядра
Поліпшення рослин і тварин на основі клітинних технологій
Клітини, що вирощуються на штучних поживних середовищах, і тканини рослин є основою різноманітних технологій у сільському господарстві. Одні з них спрямовані на отримання ідентичних вихідній формі рослин (оздоровлення і клональне мікророзмноження, кріозберігання генофонду під час глибокого заморожування меристем і клітин пилка), інші - на створення рослин, генетично відмінних від вихідних, шляхом або полегшення і прискорення традиційного селекційного процесу, або, створення генетичної різноманітності й пошуку та відбору генотипів з цінними ознаками. Таким шляхом отримані рослини, стійкі до вірусів та інших патогенів, гербіцидів, рослини, здатні синтезувати токсини, патогенні для комах-шкідників, рослини з чужорідними генами, що контролюють синтез білків холодостійкості й білків з поліпшеним амінокислотним складом, рослини зі зміненим балансом фітогормонів тощо
До гістотехнологій зараз відносять технології, пов’язані з вирощуванням окремих тканин і цілих органів.
Можна назвати три основні напрямки створення нових технологій на основі культивування клітин і тканин.
Перше - отримання промисловим шляхом цінних біологічно активних речовин. Так отримані мутантні клітинні лінії раувольфії змінної - продуценту індольних алкалоїдів, які містять у 10 разів більше цінного для медицини антиритмічного алкалоїду - аймаліну; отриманий штам рути пахучої, який містить у 220 разів більше алкалоїду рутакридону, ніж у самій рослині; із суспензійної культури наперстянки шорсткої, яка містить серцевий глікозид - дигитоксин, отримали більш якісну форму - дигоксин - для використання в медицині; із суспензійної культури м’яти отримали ментол для трансформації пулегону й ментолу.
Друге - використання тканинних і клітинних культур для швидкого клонального мікророзмноження й оздоровлення рослини. Порівняно з традиційними методами розмноження, які використовуються в сільськогосподарській практиці, клональне розмноження в культурі дає ряд переваг:
1) коефіцієнт розмноження вище, ніж за звичайних методів розмноження. Так, з однієї рослини гербери методом традиційної селекції за рік можна одержати 50-100 рослин, а шляхом розмноження через культуру - до 1 млн.;
2) можна підтримувати ріст цілий рік;
3) тисячі рослин можуть рости на невеликій лабораторній площі;
4) разом із розмноженням часто відбувається оздоровлення рослин від вірусів і патогенів;
5) цим методом можна отримувати рослини, які важко або зовсім не розмножуються вегетативно, наприклад пальми. Мікроклональне розмноження добре ведеться з картоплею, капустою, часником, томатами, цукровим буряком; серед ягідних культур найбільші успіхи досягнуті в суниці; серед декоративних культур - в іриса, гіацинта, фрезії, гладіолуса, лілії, орхідних, гвоздики, нарцисів, тюльпанів, гербери. Техніка зливання клітин уже зараз застосовується в рослинництві. Так, методом асиметричного зливання в Японії, наприклад, одержано стійкі до нематод кабачки.
Третю групу складають технології, пов’язані з генетичними маніпуляціями на тканинах, клітинах, ізольованих протопластах.
На сьогодні тканинна інженерія - це біологічна індустрія, яка дуже бурхливо розвивається і, за прогнозами вчених, забезпечить наступне покоління медичних імплантів.
Тканинна інженерія подає надії на подолання чоловічого й жіночого безпліддя та розв’язання інших проблем, пов’язаних з функціональною діяльністю репродуктивної системи в людей, за яких доступні консервативні чи хірургічні методи лікування не дають бажаного ефекту.
Клітинна терапія вже досить широко застосовується в лікуванні травматичних і дегенеративних захворювань суглобів та переломів, що не зростаються протягом тривалого часу. Не менш важливим питанням для ортопедії та травматології є біоінженерія кісткової й хрящової тканин. У цьому напрямку надзвичайно перспективними є популяції мезенхімальних стовбурових клітин. Наприклад, доведено, що з 500 мг мезенхімальних стовбурових клітин може утворитися 3 кг кісткової тканини. Мезенхімальні стовбурові клітини можна виділити з кісткового мозку, пуповинної крові, пульпи зубів. Потребує глибшого дослідження як джерела стовбурових клітин, придатних для застосування з метою ортопедичної біоінженерії, менструальна кров, жирова тканина.
На сьогоднішній день у світі декілька наукових груп активно працює над вирощуванням зі стовбурових клітин клапанів серця й імплантів судин.
У Мельбурнському університеті (Австралія) зі стовбурових клітин отримано клапоть рогівки, що відкриває нові перспективи для лікування хворих з опіками очей. У Японії стовбурові клітини використовують для відновлення молочних залоз у жінок після мастектомії.