Использование достижений биотехнологии в животноводстве. Современные биотехнологии в животноводстве

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГОУ ВПО "Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия"

БИОТЕХНОЛОГИЯ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ

Ульяновск - 2008 г.

П.С.Катмаков, А.В.Бушов, В.П.Гавриленко. Биотехнология в животноводстве. Учебноепособие. - Ульяновск, УГСХА, 2008, 154 с.

Под общейредакциейпрофессораП.С.Катмакова.

Рецензенты:

В.П.Дегтярев , доктор биологических наук, академик РАСХН,Д.А.Васильев, докторбиологическихнаук, профессор.

Учебное пособие написано в соответствии с программой курса по биотех- нологии длястудентов биотехнологическогофакультета.

В пособии на уровне современных знаний изложены вопросы молекуляр- ных основ наследственности, генетической и клеточной инженерии, включая конструирование рекомбинантных ДНК и векторных систем. В главах, посвя- щенных трансплантации эмбрионов, получению трансгенных животных, кло- нированию и получению химер значительное внимание уделено практиче- скому использованию достижений биотехнологии в селекции сельскохозяй- ственныхживотных.

Рассмотрены вопросы биотехнологии кормовых препаратов - получение кормовых белков, незаменимых аминокислот; ферментных, витаминных пре- паратов и липидов. Особое внимание уделено научным и правовым основам обеспечения биобезопасности в биотехнологии, биоинженерии и использова- нии генетически модифицированных организмов. Каждая глава заканчивается перечнем вопросов для самостоятельного контроля усвоения материала.


ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕОСНОВЫНАСЛЕДСТВЕННОСТИ……............
1.1. Нуклеиновые кислоты - материальные носители наслед-
ственнойинформации.
1.2. Реализациянаследственнойинформации.................................
1.3. Генетическийкод.........
1.4. Регуляция активности генов...........
1.5. Современноепредставление остроении и функции
гена.......................................
Контрольные вопросы. ......................................................................
ГЛАВА2. ГЕНЕТИЧЕСКАЯИКЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ............................... .
2.1. Ферментыклеточной инженерии.................................................
2.2. Конструирование и технология рекомбинантных ДНК......
2.3. Синтези выделение генов................................................................

2.4. Генетическая инженерия на уровне хромосом и геномов …………………………………………………........... 38

2.5. Гибридизация соматическихклеток...........................................
2.6. Получениеаллофенных животных..............................................
Контрольные вопросы .......................................................................
ГЛАВА3. ТРАНСПЛАНТАЦИЯЭМБРИОНОВ .....................................................................
3.1. Технологиятрансплантации эмбрионов....................................
3.2. Проведениесуперовуляции у доноров........................................
3.3. Извлечение и оценка эмбрионов...................................................
3.4. Пересадка эмбрионов реципиентам............................................
3.5. Криоконсервация эмбрионов.........................................................
3.6. Влияниетрансплантации эмбрионов на генетический
прогресс популяции...........................................................................
Контрольные вопросы .......................................................................
ГЛАВА4. ПОЛУЧЕНИЕТРАНСГЕННЫХЖИВОТНЫХ. ....................................
4.1. Перенос генов.......................................................................................
4.2. Создание разных типов трансгенных животных..................
4.3. Получениетрансгенныхсельскохозяйственных
животных...............................................................................................
Контрольные вопросы .......................................................................
ГЛАВА5. КЛОНИРОВАНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
ЖИВОТНЫХ ……………………………………………………
5.1. Пересадка ядер соматических клеток в энуклеированную
яйцеклетку ..................................................................................................

5.2. Созданиепартеногенетическихживотных..........................
5.3. Получение идентичных монозиготных близнецов.............
Контрольные вопросы .......................................................................
ГЛАВА6. ПОЛУЧЕНИЕХИМЕРНЫХЖИВОТНЫХ .........................................................
6.1. Методы создания экспериментальныххимер.........................
6.2. Маркерыхимер ...................................................................................
6.3. Межвидовые и межпородные химеры ........................................
Контрольные вопросы .......................................................................
ГЛАВА7. ОПЛОДОТВОРЕНИЕ ЯЙЦЕКЛЕТОК ВНЕ ОРГАНИЗМА ЖИВОТ-
НОГО …………………………………………………................................……..
7.1. Культивированиеооцитов вне организма животного..........
7.2. Капацитация спермиев .....................................................................
7.3. Акросомная реакция. .........................................................................
7.4. Получениеэмбрионов изоплодотворенныхin vitro ооцитов
Контрольные вопросы .......................................................................
ГЛАВА8. БИОТЕХНОЛОГИЯКОРМОВЫХ ПРЕПАРАТОВ................ ............ .....
8.1. Получениекормовых белков ..........................................................
8.2. Кормовые дрожжи .............................................................................
8.3. Белковые концентраты из бактерий ..........................................
8.4. Кормовые белки из водорослей ....................................................
8.5. Белки микроскопическихгрибов. ................................................
8.6. Кормовые белковые концентраты из растений.................
8.7. Производство незаменимых аминокислот................................
8.8. Производство кормовых витаминных препаратов...............
8.9. Кормовые липиды ………………………...................................
8.10. Ферментныепрепараты ................................................................
Контрольные вопросы .......................................................................
ГЛАВА9. БИОТЕХНОЛОГИЯИБИОБЕЗОПАСНОСТЬ .................................................
9.1. Понятия о безопасности и биобезопасности..............................
9.2. О генетическом риске и биобезопасности в биоинжене-
рии и трансгенозе ...............................................................................

9.3. Критерии, показатели и методы оценки генетически модифицированныхорганизмовиполучаемыхотнихпродуктов

ГЛАВА10.. БИОКОНВЕРСИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ........................ .
10.1. Технология производства биогаза ................................................
10.2. Биогазовые установки. ......................................................................
10.3. Мировой опыт биоконверсии органических отходов в био-
газ .....................................................................................................
Контрольные вопросы .......................................................................
Литература ...............................................................................................

Термин "биотехнология " впервые использовал Карл Эреки в1919 году для обозначения работ, в которых продукты получают с помощью живых организмов. В биологическом энциклопедическом словаре, издан- ном в1986 г., биотехнологией называют использование живых организ- мов и биологических процессов в производстве. Европейская федерация биотехнологии определяет современную биотехнологию как использова- ние наук о природе(биологии, химии, физики) и инженерных наук(элек- троники) применительно к биосистемам в биоиндустрии. Будучи древней сферой производства, биотехнология сегодня представляет собой ультра- современный этапнаучно- техническогопрогресса.

На начальном этапе биотехнология опиралась главным образом на достижения микробиологов и энзимологов, а в последние годы она полу- чила мощный импульс к развитию со стороны наиболее интенсивно раз- вивающихся областей биологии: вирусологии, молекулярной и клеточной биологии, молекулярной генетики.

Рождение нового направления в биологии - генетической инженерии- условно можно отнести к1972 г., когда в лаборатории П. Берга впервые была синтезирована рекомбинантная молекула ДНК, что окончательно закрепило за биотехнологией и биоинженерией(ядерной биологией) важ- нейшее место в современной науке. Работы выдающихся биологов А. А. Баева, А. Н. Белозерского, О. Эйвери, Г. Гамова, К. Кораны, Ф. Жакоба, Ж. Моно, Дж. Беквиста, Ю. А. Овчинникова, А. С. Спирина и др. дополнили

последовательный ряд важнейших открытий по идентификации генов и ферментов, выделению молекул ДНК из растительных, микробных и жи- вотных клеток, расшифровке генетического кода и механизмов экспрес- сии генов и биосинтеза белка упрокариот и эукариот.

В 50- е годы в биологии возникает еще одно важное направление- кле- точная инженерия и связанная с ней клеточная биотехнология.

Генетическая и клеточная инженерия определили главнейшее ядро и направление современной биотехнологии, методы которой получили ши-

рокое развитие в 80- е годы и используются во многих областях науки и производства в нашей стране и за рубежом.

Современная биотехнология (биоинженерия) - это наука о генноинженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

Высшим достижением новейшей биотехнологии является генетиче- ская трансформация, перенос чужеродных донорских генов в клетки- ре- ципиенты растений, животных и микроорганизмов, получение трансген- ных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По

своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать принципиально новые задачи по созданию растений, животных и микроорганизмов с повышенной устой- чивостью к стрессовым факторам среды, высокой продуктивностью и ка- чеством продукции, по оздоровлению экологической обстановки в приро- де и всех отраслях производства.

Биотехнология решает не только конкретные задачи науки и произ- водства. У нее есть более глобальная методическая задача- она расширяет и ускоряет с помощью достижений научно- технического прогресса мас- штабы воздействий человека на живую природу и способствует приспо- соблению живых систем к условиям существования человека, выступая в роли новогомощного фактора антропогенной адаптивной эволюции.

По своим потенциям биотехнология экологически достаточно чистый и практически неисчерпаемый высокоэкономичный производитель разно- образной продукции и поэтому все больше будет вытеснять несовершен- ные, ограниченные ресурсами и экологически вредные современные хи- мические технологии. Однако, для большего прогресса биотехнология нуждается в успехах фундаментальных наук и в более совершенных ме- тодах оперирования живыми системами.

ГЛАВА1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫНАСЛЕДСТВЕННОСТИ

1.1. Нуклеиновые кислоты – материальные носители наследст-

венной информации. Хромосома представляет собой нуклеопротеидную структуру (дезоксинуклеопротеид), в состав которой входит дезоксирибо- нуклеиновая кислота, основные белки– гистоны, негистоновые белки и небольшое количество рибонуклеиновой кислоты. Ведущая роль в на-

следственности принадлежит ДНК, которая является носителем наследст- венной информации практически у всех организмов, как прокариот, так и эукариот, за исключением некоторых РНК– содержащихвирусов.

Нуклеиновые кислоты были открыты Фридрихом Мимером (18441895 г. г.) в1869 г. Из ядер клеток человека он выделил вещество, назван- ное им нуклеином(от лат. Nucleus – ядро). В дальнейшем были изучены строение и молекулярная структура нуклеина и установлено, что он пред- ставлен двумя типами нуклеиновых кислот– ДНК- ой, локализованной преимущественно в ядре и РНК- ой, находящейся в ядре и цитоплазме.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соедине-

ния; их молекулярный вес колеблется от 5 млн. до 40 млн. В состав ДНК входят: сахар – дезоксирибоза, 4 азотистых основания – производные пурина (аденин и гуанин) и пиримидина (тимин и цитозин) и остатки фосфорной кислоты (фосфат). Аденина (А) содержится обычно столько, сколько тимина (Т), а количество гуанина (Г) равно количеству цитозина (Ц). Нуклеотиды соединяются между собой , обра - зуя длинную цепочку , химическим остовом которой служат остатки фос - форной кислоты , которые связаны фосфодиэфирными связями с 5′ угле - родом одной молекулы пентозного сахара и 3′ углеродом другой .

Структурная формула молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком. Согласно их модели, молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных междусобой. Они отличаются сильной спиральной

извитостью и могут складываться в плотные столбики или растягиваться в длинные слегка извитые нити. Цепи двойной спирали удерживаются вме- сте водородными связями между азотистыми основаниями, лежащими друг против друга.

Молекула ДНК состоит из цепи молекул дезоксирибозы, соединенных между собой фосфатными остатками. К каждой молекуле сахара присое- динено одно из оснований– аденин, тимин, гуанин и цитозин, иногда ме- тилцитозин. Вторая цепь ДНК состоит из аналогичных соединений, но основания в ней расположены так, что напротив аденина в первой цепи во второй находится тимин, напротив гуанина– цитозин, причем аденин и тимин соединены двойными водородными связями, а гуанин и цитозин– тройными(пр. Чаргафа).

Число пуриновых нуклеотидов (А+Г)= числу пиримидиновых (Ц+Т),

т.е. отношение (А+Г) : (Т+Ц) = 1. Две комплементарные нити образуют правовинтовую спираль , каждый виток которой имеет длину 3.4 нм , рас - стояние между нуклеотидами 0.34 нм . Азотистые основания ориентиро -

ваны к середине спирали. Для хромосом эукариотов характерно линейное строение молекулы ДНК, у прокариот, плазмид, митохондрий и пластид молекулы ДНК бывают замкнуты в кольцо.

Число нуклеотидов и их последовательность в молекуле ДНК специ- фичны для каждого вида. Д. Уотсон ввел понятие о видовой специфично- сти ДНК. Коэффициентом видовой специфичности называют соотноше- ние(А+ Т): (Г+ Ц). Молекула ДНК обладает исключительным многообра- зием. Если предположить, что у млекопитающих в ДНК содержится10 8 нуклеотидов, то число молекул ДНК, различающихся по порядку чередо- вания нуклеотидов, будет4 в степени10 8 . Таким образом, в молекуле ДНК может быть записан практически любой объем наследственной информа- ции и укаждой особи эта запись уникальна и специфична.

В отличие от содержащихся в живом организме других химических соединений молекула ДНК обладает способностью к автосинтезу, т. е. к самовоспроизведению в процессе репликации. Репликацией называют

процесс самокопирования молекулы ДНК с точным соблюдением порядка чередования нуклеотидов, присущего исходным комплементарным нитям. Происходит это с участием специальных ферментов – дезоксирибонуклеазы, расщепляющей молекулу ДНК, и ДНК – полимеразы, способствующей ее синтезу.

Репликация происходит в период синтеза (S- период ) интерфазы мито-

тического цикла . На отдельных участках молекулы ДНК образуются

так называемые вилки репликации. В этих местах под влиянием первого фермента водородные связи между азотистыми основаниями разрываются, комплементарные нити разъединяются, и каждая из них становится матрицей, на которой происходит синтез дочерних нитей. Такой тип репликации получил название полуконсервативного.

Участок молекулы ДНК в том месте, где начали расплетаться компле- ментарные нити, называется вилкой репликаций. Она образуется у прока- риот, плазмид, митохондрий и пластид в одной определенной, генетиче- ски фиксированной точке. В молекуле ДНК у эукариот таких« стартовых точек» бывает несколько.

У эукариот на каждой комплементарной нити ДНК процесс реплика- ции идет неодинаково, т. к. они антипараллельны, поэтому одна из нитей называется «лидирующей », другая– «запаздывающей» . « Лидирующая» нить синтезируется при участии фермента ДНК– полимеразы в виде сплошной комплементарной нити.

Синтез « запаздывающей» нити протекает сложнее с участием ком- плекса ферментов. Вначале образуются отрезки– реплики новой дочерней нити ДНК, прочное соединение которых осуществляет ферментлигаза . Эти отрезки новой нити ДНК содержат у эукариот 100-200 нуклеотидов, у прокариот 1000-2000 нуклеотидов. Их называют фрагментамиОказаки по имени описавшего их японского ученого. ДНК- полимераза II проверяет комплементарность оснований и вырезает те из них, которые не компле- ментарны, бреши застраиваются правильныминуклеотидами.

Репликация кольцевых молекул ДНК у прокариот, а также ДНК плаз- мид, митохондрий и пластид протекает по типу, получившему название« катящегося обруча». При этом одна из нитей молекулы ДНК разрывает- ся, и ее конец прикрепляется к клеточной мембране, а на противополож- ном конце, как на матрице, происходит синтез дочерней нити ДНК. Реп- ликация ДНК протекает довольно быстро. У бактерий она составляет око- ло30 мкм в минуту; за это время к нити матрице присоединяется около500 нуклеотидов дочерней нити. У вирусов– около900 нуклеотидов в минуту. У эукариот репликация протекает медленнее– дочерняя нить уд- линяется на1,5-2,5 мкм в минуту.

Таким образом, ДНК способна самовоспроизводиться(реплициро- ваться, самокопироваться) и сохранять наследственную информацию, за- кодированную в ней в виде последовательности чередования нуклеотид- ных оснований, во множестве поколений клеток, образующихся в онтоге- незе многоклеточногоорганизма.

Рибонуклеиновая кислота по своему строению несколько сходна с ДНК. Она также имеет цепь из сахара рибозы, соединенной фосфатными остатками; к молекулам рибозы присоединены основания – аденин, гуанин, цитозин, но вместо тимина здесь включается другое производное пиримидина – урацил. Молекула РНК одноцепочная, слегка спиралеобразно изогнутая. В клетке содержится РНК в основном трех типов: информационная (матричная) – и-РНК (м-РНК), рибосомальная – р-РНК и транспортная – т-РНК.

Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК. Они имеют значительно меньшие размеры, чем ДНК. В живом организме в синтезе РНК участвует лишь одна цепь ДНК. Образовавшаяся двойная цепь ДНК/ РНК существует до тех пор, пока со- отношение между ДНК и РНК не достигнет определенной величины, по-

сле чего молекула РНК отделяется и поступает в ядрышко или по каналам эндоплазматической сети в органоиды или плазмуклетки.

Открытия в области структуры генома, сделанные в середине XX в., дали мощный толчок к созданию принципиально новых систем направленного изменения генома живых существ. Одним из таких направлений является интеграция в геном животных генных конструкций, связанных с процессами регуляции обмена веществ, что обеспечивает последующее изменение и ряда биологических и хозяйственно полезных признаков животных.

Животных, несущих в своем геноме рекомбинантный (чужеродный) ген, принято называть трансгенными , а ген, интегрированный в геном реципиента, - трансгеном. Благодаря переносу генов у трансгенных животных возникают новые признаки, которые при селекции закрепляются в потомстве. Так создают трансгенные линии.

Трансгенных животных получают путем микроинъекции рекомбинантной ДНК в извлеченные из донорских организмов эмбрионы и дальнейшей пересадки инъецированных эмбрионов в яйцеводы или методом культивирования в матку синхронизированных реципиентов. Эффективность получения трансгенных животных во многом зависит от чистоты и концентрации инъекционного раствора ДНК. Для трансформации генов в геном животного используют: микроинъекцию ДНК в пронуклеус зигот или в каждый бластомер двухклеточного эмбриона; введение ДНК с помощью ретровирусных векторов; получение трансгенных химер из генетически трансформированных клеток и эмбрионов.

Одни из важнейших задач сельскохозяйственной биотехнологии - выведение трансгенных животных с улучшенной продуктивностью и более высоким качеством продукции, резистентностью к болезням, а также создание так называемых животных-биореакторов - продуцентов ценных биологически активных веществ.

С генетической точки зрения особый интерес представляют гены, кодирующие белки каскада гормона роста: непосредственно гормон роста и рилизинг-фактор гормона роста. Рилизинг-фактор гормона роста стимулирует синтез и секрецию гормона роста. Гормон роста является регулятором многих процессов обмена веществ, в том числе белкового и липидного.

По данным Л.К. Эрнста у трансгенных свиней с геном рштизинг- фактора гормона роста толщина шпика была на 24,3 % ниже контроля. Существенные изменения отмечены по уровню липидов в длиннейшей мышце спины. Так, содержание общих липидов в этой мышце у трансгенных свинок было меньше на 25,4 %, фосфолипидов - на 32,2 %, холестерина - на 27,7 %. Таким образом, трансгенные свиньи характеризуются повышенным уровнем ингибирования липогенеза.

Ведутся исследования, направленные на получение трансгенных животных, резистентных к маститу за счет повышения содержания белка лак- тоферина в тканях молочной железы. На культуре клеток из почек трансгенных кроликов было показано, что клеточные линии, содержащие трансгенную антисмысловую РНК, имели резистентность к аденовирусу Н5 (Ads) на уровне 90-98 %, более высокую по сравнению с контрольными линиями клеток. Продемонстрирована также устойчивость трансгенных животных с геном антисмысловой РНК к лейкозу крупного рогатого скота, к заражению вирусом лейкоза.

Показана возможность конструирования системы внутриклеточной иммунизации против инфекционных вирусов с участием мутантных форм эндогенных вирусных белков, защищающих от соответствующих вирусов. Так, получены трансгенные куры, устойчивые к лейкозу, у которых в клетках присутствовал белок вирусной оболочки.

Очень важно использование трансгенных животных в медицине и ветеринарии для получения биологически активных соединений за счет включения в клетки организма генов, вызывающих у них синтез новых белков.

Трансгенные животные как продуценты ценных биологически активных белков и гормонов имеют ряд преимуществ перед микроорганизмами и клеточными системами. Важно, что новые белки, получаемые в линиях клеток трансгенных животных, могут быть модифицированы, их активность сравнима с активностью протеинов. Для молочного производства большой интерес представляет получение целенаправленной трансгенной экспрессии в эпителиальные клетки молочной железы для выхода белков с молоком. Один из основных этапов получения трансгенных животных, продуцирующих гетерогенный белок с молоком, - идентификация промотора, направляющего экспрессию структурных генов в секреторный эпителий молочной железы.

В настоящее время выделены гены и промоторы о67-казеина, Р-казеина, а-лактоальбумина, Р-лактоглобулина и сывороточного кислого протеина (WAP ). Молочная железа - великолепный продуцент чужеродных белков, которые можно получать из молока и использовать в фармацевтической промышленности. Из молока трансгенных животных извлекают следующие рекомбинантные белки: человеческий белок С, антигемофиль- ный фактор IX, а-1-антитрипсин, тканевой плазменный активатор, лакто- ферин, сывороточный альбумин, интерлейкин-2, урокиназу и химозин. В большинстве проектов, за исключением а-1-антитрипсина и химозина, исследования пока еще ведутся в основном на трансгенных мышах.

В США осуществлен метод микроинъекции ДНК, отвечающий за экспрессию Р-лактоглобулина, который способен продуцироваться только в молочных железах животных. В Эдинбурге в 1992 г. были выведены трансгенные овцы с геном а-1-антитрипсина человека и р-глобулиновым промотором. Содержание этого белка у разных трансгенных овец составляло от I до 35 г/л, что соответствует половине всех белков в молоке. При таком уровне продукции белка может быть получено около 10 кг трансгенного белка от одного животного в год, что достаточно для 50 пациентов при лечении эмфиземы легких. Обычно выход рекомбинантных белков в системах с использованием культуры клеток составляет около 200 мг/л, а у трансгенных животных он может повышаться до 1 л. Следует отметить, что процедуры по созданию клеточных культур и их выращиванию в промышленных реакторах, а также по выведению трансгенных животных и их обслуживанию весьма дороги. Однако трансгенные животные легко размножаются, содержание их сравнительно дешево, что делает их хорошими продуцентами разнообразных белков с низкой стоимостью. В России группой ученых под руководством Л.К. Эрнста и М.И. Прокофьева получены трансгенные овцы с геном химозина - основного компонента для производства сыра. В 1 л молока содержится 200-300 мг химозина. Стоимость сыра будет в несколько раз ниже продукта, получаемого традиционным способом из сычугов молочных телят и ягнят. Так, из 3 л молока трансгенной овцы можно получить количество химозина, достаточное для производства 1 т сыра из коровьего молока.

Что такое биотехнология животных?

На настоящий момент биотехнологии приобретают все более важную роль в повышении доходности животноводства. Внедрение результатов биотехнологических исследований в животноводство происходит в первую очередь в следующих областях деятельности:

1. Улучшение здоровья животных с помощью биотехнологии;
2. Новые достижения в лечении людей с помощью биотехнологических исследований на животных;
3. Улучшение качества продуктов животноводства с помощью биотехнологии;
4. Достижения биотехнологии в охране окружающей среды и сохранении биологического разнообразия.

Биотехнология животных включает в себя работу с различными животными (скотом, домашней птицей, рыбой, насекомыми, домашними животными и лабораторными животными) и исследовательскими приемами – , .

Как регулируется создание генетически модифицированных животных продуктов?

В 2003 году Центр ветеринарной медицины FDA опубликовал предварительную версию руководства по оценке риска при клонировании скота и безопасности употребления пищевых продуктов, произведенных из мяса клонированных животных. Специалисты FDA пришли к выводу о пригодности мяса и молока клонированных животных к употреблению в пищу. Следующим шагом является полное урегулирование вопросов по оценке риска и предложений по процессу управления рисками.

Биотехнология для улучшения здоровья животных

На сегодняшний день, по оценкам специалистов, рынок биотехнологических ветеринарных средств составляет 2,8 миллиардов долларов США. Ожидается, что в 2005 году эта цифра возрастет до 5,1 миллиардов. На июль 2003 года на фармакологическом рынке было зарегистрировано 111 биотехнологических ветеринарных продуктов, в том числе убитых бактериальных и вирусных вакцин. Ежегодно ветеринарная промышленность инвестирует в исследования и разработку новых препаратов более 400 миллионов долларов США.

Сельскохозяйственные животные: скот и домашняя птица

Биотехнология обеспечивает принципиально новые подходы к улучшению здоровья животных и продуктивности скота и домашней птицы. Это улучшение возможно за счет усовершенствования диагностики, лечения и профилактики заболеваний; использования высококачественных кормов, производимых из трансгенных сортов кормовых растений; а также за счет повышения эффективности выведения новых пород.

– биотехнология позволяет фермерам немедленно диагностировать с помощью тестов на основе ДНК-типирования и определения наличия антител следующие инфекционные заболевания: бруцеллез, псевдобешенство, понос, ящур, лейкоз птиц, и трихинеллез;
– в скором времени ветеринары получат в свое распоряжение биотехнологические средства для лечения различных заболеваний, в том числе ящура, свиной лихорадки и коровьего бешенства;
– новые биологические вакцины используются для защиты животных от широкого спектра заболеваний, включая ящур, понос, бруцеллез, легочные инфекции свиней (плевропневмонию, пневмонический пастереллез, энзоотическую пневмонию), геморрагическую септицемию, птичью холеру, псевдочуму домашней птицы, бешенство и инфекционные заболевания выращиваемой в искусственных условиях рыбы;
– активная работа ведется над созданием вакцины против африканского заболевания скота, получившего название лихорадки Восточного побережья. В случае успеха эта вакцина станет первым препаратом для борьбы с простейшими и одновременно первым шагом на пути к разработке противомалярийной вакцины;
– молекулярные методы идентификации патогенов, такие как , позволяют наблюдать за распространением заболевания внутри стада и от популяции к популяции и идентифицировать источник инфекции;
– генетический анализ патогенеза заболеваний животных ведет к улучшению понимания факторов, вызывающих заболевания не только животных, но и человека, и подходов к контролю над ними;
– улучшенные с помощью биотехнологии сорта кормовых растений обеспечивают повышение питательности кормов за счет дополнительного содержания в них аминокислот и гормонов, приводящих к ускорению роста животных и повышению их продуктивности. Биотехнологические приемы позволяют повысить усвояемость грубых кормов. Ученые работают над новыми сортами растений с целью создания съедобных вакцин для сельскохозяйственных животных. В ближайшем будущем фермеры получат возможность кормить свиней генетически модифицированной люцерной, стимулирующей специфический иммунитет к опасной кишечной инфекции.
– исследователи работают над вакциной, которая могла бы послужить альтернативой кастрации скота. Телят кастрируют с целью снижения агрессии, а поросят – во избежание появления специфического запаха, делающего несъедобным мясо некастрированных кабанов. Новая вакцина обеспечит стерилизацию животных без хирургического вмешательства, не оказывая при этом негативного влияния на рост животных.

Кроме диагностических тестов, вакцин и лекарственных препаратов, использующихся для поддержания здоровья сельскохозяйственных животных, биотехнология играет все более важную роль в выведении новых пород. Методы генетического картирования позволяют выявлять генетически устойчивых к различным заболеваниям животных и использовать их в селекционных проектах для получения здорового устойчивого к болезням потомства. С другой стороны, животные с генетическими дефектами также могут быть идентифицированы и изъяты из процесса селекции.

– новые ДНК-тесты позволяют выявлять свиней, страдающих генетически обусловленным свиным стресс-синдромом, характеризующимся дрожанием и гибелью животных при воздействии стрессовых факторов;
– передающиеся по наследству неблагоприятные признаки скота могут быть идентифицированы с помощью ДНК-тестов, в настоящее время использующихся в национальных селекционных программах в Японии. С их помощью можно выявить дефект адгезии лейкоцитов, характеризующийся повторяющимися бактериальными инфекциями, задержкой роста и гибелью в течение первого года жизни; недостаточность фактора свертываемости крови XIII; наследственные формы анемии и задержку роста крупного рогатого скота.

Повышение продуктивности скота

Руководители животноводческих хозяйств непосредственно заинтересованы в повышении продуктивности сельскохозяйственных животных. Их конечной целью является повышение количества продукции (молока, яиц, мяса, шерсти) без увеличения затрат на содержание поголовья. Увеличение мышечной массы с одновременным снижением количества жира в организме мясных животных с незапамятных времен является целью селекционеров.

Биотехнология помогает улучшить продуктивность скота с помощью различных вариантов селекционного разведения. Для начала отбираются особи, обладающие желаемыми характеристиками, после чего, вместо традиционного скрещивания, производится забор спермы и яйцеклеток и последующее экстракорпоральное оплодотворение. Через несколько дней развивающийся эмбрион имплантируется в матку суррогатной матери соответствующего вида, но необязательно той же породы.

Иногда эмбрион делится на несколько частей, каждая из которых имплантируется отдельно. Такая форма клонирования на протяжении уже нескольких десятилетий используется для быстрого улучшения генетических характеристик сельскохозяйственных животных.

Методы геномики также используются для усовершенствования традиционных селекционных подходов. В 2003 году был официально зарегистрирован первый проверенный с помощью метода полиморфизма одного нуклеотида (SNP – single nucleotide polymorphisms) геном крупного рогатого скота мясного направления. SNP-метод используется для идентификации генных кластеров, ответственных за формирование того или иного признака, например, за поджарость животного. После чего с помощью методов традиционной селекции выводятся породы, в данном случае, отличающиеся повышенной мускулистостью. Во всем мире ведется активная работа по секвенированию геномов различных животных и насекомых. В октябре 2004 года было объявлено об успешном завершении проекта по секвенированию коровьего генома (Bovine Genome Sequencing Project). В декабре 2004 года было также успешно завершено секвенирование

Использование биотехнологии позволяет решать большое количество задач, направленных на улучшение генотипа сельскохозяйственных животных.

Главными разделами биотехнологии являются генная и клеточная инженерия.

Методы генной инженерии наиболее детально разработаны на микроорганизмах. Разработаны методы, позволяющие направленно изменять генотип микроорганизмов. В отличие от мутаций эти изменения можно планировать.

Для этого следует выделить определенные гены из генома одних животных и встроить их в геном других особей. Так, уже ген саматотропин – гормон роста крысы встроен в геном мыши, в результате резко усилены темпы роста реципиента и увеличилась его конечная живая масса .

Встройка интерферона (интерферон, англ. – препятствовать, мешать, продукт клеток, возникший при заражении вирусом, задерживающий развитие инфекции другими вирусами) в организм животных является важнейшим фактором формирования неспецифической резистентности организма; в результате его действия создаются препятствия развития другой инфекции (интерференция вирусов), препятствует заболеваниям и увеличивает резистентность организма.

В связи с этим представляется возможность по заранее намеченному плану реконструировать геном скота, придать ему заранее заданные свойства. Совершенно очевидно, что для достижения таких результатов традиционными методами потребовалась бы работа в течение многих поколений.

Большую важность представляет разработка методов извлечения из яичников коров-доноров яйцеклеток , культивирования, оплодотворения созревших ооцитов in vitro и последующего их раннего развития, а затем трансплантация (пересадка) коровам реципиентам. При этом генно-инженерные манипуляции (приемы работы, требующие большой точности) проводятся на фазе зиготы.Трансплантация, ранних эмбрионов основана на ускорении процессов размножения потомков ценных коров доноров. Для этого по определенной системе производят оплодотворение яйцеклеток in vitro и вымывание зигот (эмбрионов на 7-8-й день), которые пересаживают коровам-реципиентам. За год получают от донора 10–20 эмбрионов, которые можно заморозить, а затем осуществлять пересадку коровам-реципиентам, пришедшим в охоту. Техника пересадки уже отработана и дает возможность увеличить темпы селекции крупного рогатого скота в 10–20 раз и более.Используя трансплантацию эмбрионовможно вести борьбу с инфекционными заболеваниями (бруцеллез, лейкоз). Здоровая небеременная матка больных коров подавляет размножение бактерий и позволяет от инфицированных коров получать здоровое потомство.

На основе трансплантации можно предотвратить вымирание и полное исчезновение редких видов, пород животных ; пересаживая эмбрионы от таких животных реципиентов других пород, можно сохранить редкие породы. Примером может служить спасение от полного вымирания ангорской породы овец в Австралии.

Можно быть уверенным, что в ближайшей перспективе будут созданы новые формы крупного рогатого скота, обладающего рядом уникальных свойств, полученных методами генной инженерии (закономерности конструирования in vitro рекомбинантных молекул ДНК и их поведение в реципиентной клетке). Уже накоплен большой опыт культивирования соматических клеток животных т in vitro, разработаны способы длительного хранения клеток при низких температурах.

Активно проводятся исследования и по культивированию генеративных клеток.

Большое значение приобретает и метод агрегации ранних эмбрионов . Соединение двух целых эмбрионов от разных родителей позволяет получать животных, несущих качества сразу четырех родителей. Эти животные получили название химер . В настоящее время получены межвидовые (овца-коза) и межпородные химеры. В Германии (Брем) получили новое животное из двух половинок эмбрионов, взятых от животных разных пород. У нас в стране также получены химерные особи скота.

Определение пола эмбриона основано на идентификации половых хромосом, полученных методом биопсии раннего эмбриона. Этот метод уже используется на скоте. Трансплантация двух эмбрионов заведомо дает возможность избежать бесплодия телок из разнополых двоек (фримартинизм). Представляется возможным создание банка эмбрионов с заранее определенным полом, что позволит более рационально использовать генетические ресурсы.

Клонирование или получение идентичных близнецов из соматических клеток. В США, с помощью микрохирургии, получают клетки из внутренней части плаценты и каждое соматическое клеточное ядро трансплантируют в яйцеклетку, из которой заранее удалено ее собственное ядро. При этом из яйцеклеток развиваются идентичные близнецы, копирующие донора соматических клеток.

Крупномасштабная селекция и биотехнология в скотоводстве находятся в стадии становления. Эффективность их освоения позволит резко повысить продуктивность крупного рогатого скота.

Что такое биотехнология животных? На настоящий момент биотехнологии приобретают все более важную роль в повышении доходности животноводства. Внедрение результатов биотехнологических исследований в животноводство происходит в первую очередь в следующих областях деятельности: 1. Улучшение здоровья животных с помощью биотехнологии; 2. Новые достижения в лечении людей с помощью биотехнологических исследований на животных; 3. Улучшение качества продуктов животноводства с помощью биотехнологии; 4. Достижения биотехнологии в охране окружающей среды и сохранении биологического разнообразия. Биотехнология животных включает в себя работу с различными животными (скотом, домашней птицей, рыбой, насекомыми, домашними животными и лабораторными животными) и исследовательскими приемами - геномикой, генной инженерией и клонированием .

Приказы регулятивных органов по поводу биотехнологии животных рассматриваются Управлением по разработке политики в области науки и техники с целью согласования деятельности правительственных органов для обеспечения рационального научного подхода. Несмотря на огромное количество разрабатываемых продуктов, регуляторных документов в печатном виде существует не так много. В 2003 году Центр ветеринарной медицины FDA опубликовал предварительную версию руководства по оценке риска при клонировании скота и безопасности употребления пищевых продуктов, произведенных из мяса клонированных животных. Специалисты FDA пришли к выводу о пригодности мяса и молока клонированных животных к употреблению в пищу. Следующим шагом является полное урегулирование вопросов по оценке риска и предложений по процессу управления рисками.

Повышение продуктивности скота Руководители животноводческих хозяйств непосредственно заинтересованы в повышении продуктивности сельскохозяйственных животных. Их конечной целью является повышение количества продукции (молока, яиц, мяса, шерсти) без увеличения затрат на содержание поголовья. Увеличение мышечной массы с одновременным снижением количества жира в организме мясных животных с незапамятных времен является целью селекционеров. Биотехнология помогает улучшить продуктивность скота с помощью различных вариантов селекционного разведения.

Для начала отбираются особи, обладающие желаемыми характеристиками, после чего, вместо традиционного скрещивания, производится забор спермы и яйцеклеток и последующее экстракорпоральное оплодотворение. Через несколько дней развивающийся эмбрион имплантируется в матку суррогатной матери соответствующего вида, но необязательно той же породы. Иногда эмбрион делится на несколько частей, каждая из которых имплантируется отдельно.

Такая форма клонирования на протяжении уже нескольких десятилетий используется для быстрого улучшения генетических характеристик сельскохозяйственных животных. Методы геномики также используются для усовершенствования традиционных селекционных подходов .

В 2003 году был официально зарегистрирован первый проверенный с помощью метода полиморфизма одного нуклеотида (SNP - single nucleotide polymorphisms) геном крупного рогатого скота мясного направления. SNP-метод используется для идентификации генных кластеров, ответственных за формирование того или иного признака, например, за поджарость животного. После чего с помощью методов традиционной селекции выводятся породы, в данном случае, отличающиеся повышенной мускулистостью. Во всем мире ведется активная работа по секвенированию геномов различных животных и насекомых. В октябре 2004 года было объявлено об успешном завершении проекта по секвенированию коровьего генома (Bovine Genome Sequencing Project). В декабре 2004 года было также успешно завершено секвенирование генома курицы.

Биотехнологическая промышленность предлагает ряд решений проблемы безвредности пищевых продуктов, таких как передающиеся человеку заболевания животных и пищевые патогены. С помощью таких биотехнологических методик, как нокаутирование генов и клонирование, ученые создают экспериментальные породы животных, устойчивые к вызываемой прионами губчатой энцефалопатии.

Современная ветеринарная промышленность обладает огромным набором средств для профилактики и лечения заболеваний, потенциально способных вызвать эпизоотию и гибель сельскохозяйственного поголовья. Своевременная диагностика и лечение в комбинации с активными профилактическими мерами способствует снижению затрат на производство продуктов питания, а также улучшению состояния здоровья животных в целом и, соответственно, повышению безопасности пищевых продуктов. - биотехнология позволяет фермерам немедленно диагностировать с помощью тестов на основе ДНК-типирования и определения наличия антител следующие инфекционные заболевания: бруцеллез, псевдобешенство, понос, ящур, лейкоз птиц, коровье бешенство и трихинеллез; - в скором времени ветеринары получат в свое распоряжение биотехнологические средства для лечения различных заболеваний, в том числе ящура, свиной лихорадки и коровьего бешенства; - новые биологические вакцины используются для защиты животных от широкого спектра заболеваний, включая ящур, понос, бруцеллез, легочные инфекции свиней (плевропневмонию, пневмонический пастереллез, энзоотическую пневмонию), геморрагическую септицемию, птичью холеру, псевдочуму домашней птицы, бешенство и инфекционные заболевания выращиваемой в искусственных условиях рыбы; - активная работа ведется над созданием вакцины против африканского заболевания скота, получившего название лихорадки Восточного побережья.

В случае успеха эта вакцина станет первым препаратом для борьбы с простейшими и одновременно первым шагом на пути к разработке противомалярийной вакцины; - молекулярные методы идентификации патогенов, такие как геномная дактилоскопия, позволяют наблюдать за распространением заболевания внутри стада и от популяции к популяции и идентифицировать источник инфекции; - генетический анализ патогенеза заболеваний животных ведет к улучшению понимания факторов, вызывающих заболевания не только животных, но и человека, и подходов к контролю над ними; - улучшенные с помощью биотехнологии сорта кормовых растений обеспечивают повышение питательности кормов за счет дополнительного содержания в них аминокислот и гормонов, приводящих к ускорению роста животных и повышению их продуктивности .

Биотехнологические приемы позволяют повысить усвояемость грубых кормов. Ученые работают над новыми сортами растений с целью создания съедобных вакцин для сельскохозяйственных животных. В ближайшем будущем фермеры получат возможность кормить свиней генетически модифицированной люцерной, стимулирующей специфический иммунитет к опасной кишечной инфекции - исследователи работают над вакциной, которая могла бы послужить альтернативой кастрации скота. Телят кастрируют с целью снижения агрессии, а поросят - во избежание появления специфического запаха, делающего несъедобным мясо некастрированных кабанов.

Новая вакцина обеспечит стерилизацию животных без хирургического вмешательства, не оказывая при этом негативного влияния на рост животных. Кроме диагностических тестов, вакцин и лекарственных препаратов, использующихся для поддержания здоровья сельскохозяйственных животных, биотехнология играет все более важную роль в выведении новых пород. Методы генетического картирования позволяют выявлять генетически устойчивых к различным заболеваниям животных и использовать их в селекционных проектах для получения здорового устойчивого к болезням потомства.

С другой стороны, животные с генетическими дефектами также могут быть идентифицированы и изъяты из процесса селекции - новые ДНК-тесты позволяют выявлять свиней, страдающих генетически обусловленным свиным стресс - синдромом, характеризующимся дрожанием и гибелью животных при воздействии стрессовых факторов, передающиеся по наследству неблагоприятные признаки скота могут быть идентифицированы с помощью ДНК-тестов, в настоящее время использующихся в национальных селекционных программах в Японии.

С их помощью можно выявить дефект адгезии лейкоцитов, характеризующийся повторяющимися бактериальными инфекциями, задержкой роста и гибелью в течение первого года жизни; недостаточность фактора свертываемости крови XIII; наследственные формы анемии и задержку роста крупного рогатого скота. Повышение качества продуктов животноводства Использование биотехнологии способно значительно улучшить качество употребляемых в пищу и используемых в других целях продуктов животноводства. Часть улучшений происходит благодаря использованию ветеринарных вакцин, лекарств и диагностических тестов .

Однако огромные достижения были сделаны биотехнологами и на клеточном уровне с помощью переноса генов и клонирования. К таким достижениям относятся: - возможность создания генетически модифицированных коров, овец и свиней с пониженным содержанием жира и повышенным - постного мяса; - проекты по генетическому картированию позволяют фермерам выявлять высокопродуктивных особей для включения их в селекционные программы; - вакцины находят новые области применения, в том числе используются для стимуляции иммунной системы индюшек, что подавляет у них тенденцию к прекращению откладывания яиц; - другие вакцины повышают эффективность переваривания корма или влияют на продукцию гормонов, что приводит к ускорению роста животных.

Некоторые вакцины способствуют синтезу большего количества молока или снижению жирности мяса; - генетически модифицированные коровы производят «дизайнерское молоко», содержащее повышенное количество белков, необходимых для полноценного вскармливания детей или производства кисломолочной продукции; - австралийские ученые разработали метод получения большего количества овечьей шерсти за счет скармливания овцам генетически модифицированный люпина, дикий вариант которого составляет основную часть их летней диеты; - в настоящее время ведется работа над созданием генетически модифицированных креветок, не содержащих белка, в 80% случаев являющегося причиной аллергии на креветки.

Исследования, проведенные специалистами Национальной академии наук США, продемонстрировали безопасность использования клонированных и генетически модифицированных животных для производства продуктов питания. Генетически модифицированные версии некоторых кормовых культур в настоящее время находятся на стадии тестирования. Целью их создания является повышение качества белков, жиров и усвояемости энергии изготавливаемых на их основе кормов. Одна из таких культур разрабатывается для увеличения срока хранения говядины за счет повышения антиоксидантных свойств входящих в ее состав жиров .