Ойдың биотехнологиясы
Биотехнология – бұл ғылыми–техникалық прогрестің көп салалы кешендерін қамтитын бөлігі, оның ішіне әр түрлі микробиологиялық синтез, генетикалық және жасуша инженериясы, инженерлік энзимология – өсімдік, жануар және адам ағзасындағы ақуыз ферменттерінің қызмет ретін өндірістік реестрларда атқару кіреді. Биотехнология микробиологиямен, биофизика және биохимиямен, генетика және цитологиямен, бейорганикалық химия және молекулалық биологиямен, иммунология және молекулалық генетикамен қақтығысы кезінде пайда болды.
Бүгінгі таңда биотехнология ғылыми-техникалық прогрестің алдыңғы қатарына тырысып шығуда. Бұл екі жағдайға байланысты. Бір жағынан химия мен физика жетістіктерінің арқасында қазіргі молекулалық биология мен генетиканың одан әрі дамып, тірі ағзаларды адамның пайдасына жарату болса, ал екінші жағынан біз жаңа технологиялармен өзіміздің қажеттілігімізді қанағаттандырып, азықтың, энергияның, минералдық ресурстардың жеткіліксіздігін кемітіп, денсаулық сақтау және қоршаған ортаны қорғау жағдайларын жақсартамыз.
Қазіргі биотехнология тірі ағзаларды, микроағзаларды, мәдени өсімдіктер мен ауыл шаруашылық малдарын қалыптастыруға байланысты жаңа әдістерді іздеу үстінде.
Ауыл шаруашылығы биологиясының негізгі жетістіктерінің үлесіне – қолдан ұрықтандыру мен ұрықты сұйық азотта ұзақ уақыт мерзімге сақтау әдістерін табуы. Бұл бағалы аталықтардың генофондын максимальді түрде пайдалануда маңызы зор. Генетикалық зерттеулер бойынша ұрпаққа ата-ананың екеуінің де әсері бар. Осы жағдайға байланысты асылдандыру жұмысын жеделдету үшін ұрғашылардың генофондын қолдану қажет. Себебі, ол селекцияның одан әрі күрделеніп дамуына жол ашады. Тәжірибелік селекцияда бұны биотехнологиялық әдістердің негізінде эмбриондарды трансплантациялау арқылы іске асыруға болады. Эмбрионды көшіру өнімділігі жоғары ұрғашылардың ұрпақ санын жылдам көбейту мүмкіндігін туғызды. Асыл тұқымды аталықтарды алу кезіндегі ұрғашыларды ұрпақ сапасы бойынша бағалау мүмкіндігі де пайда болды.
Трансплантациялау технологиясының маңыздылығы мен қиындығы асыл тұқымды аналықтан қажетті мөлшерде эмбриондарды алу. Аналықтардан эмбриондарды алу мүмкіндіктері мол, себебі олардың аналық безінде бірнеше жүз мыңдай ооциттер бар, бірақ олардың қорындағы гендердің бір, екеуі ғана жетіліп ұрпақ береді.
Әр жастағы малдың безінен бөлініп шыққан, ағзадан тыс өсіп-жетілген жыныс жасушаларын ұрықтандыру мүмкіндігін зерттеудің мәні зор. Кәрі малдың аналық безіндегі ооциттерді қопсыту, атақты дарақтардың репродуктивті мерзімін жалғастырып, қосымша ұрпақ алудың бірден-бір себебі. Толық жасқа жетпеген жануарлардың аналық безіндегі жыныс жасушаларын қопсыту және ұрықтандыру төңірегіндегі жетістіктер, келешекте табиғи жыныстық жетілу уақытын ауыстырып, қысқа мерзім ішінде тұқымаралық будандарды шығарып алуды көздейді. Зерттеулердің нәтижелері бойынша бұзаудың 1-2 айлығында аналық безінен бөлінген ооциттерді қопсыту мен ұрықтандыру сәтті аяқталған еді.
Қазіргі биотехнологиялық әдістердің негізгі мақсаттары мен міндеттері жақсы ұйымдастырылып құрылған эмбриондарды трансплантациялаудың арқасында жоғары өнімді, қажетті типтегі малды жылдам көбейтіп алу. Тұқымды қалыптастыру процесі немесе генетикалық ресурстардың жетіспеуі кезінде, генотипі қажетті жануарларды тез арада көбейту кезінде, бұл әдіс өте тиімді.
Эмбриондарды трансплантациялау селекцияның келесі міндеттерін шешуде пайдаланады:
1. Өнімділігі жоғары, бағалы тұқымдар мен мал топтарын тез арада көбейту мәселесін қарастырады;
2. Малдың бірнеше көшірмесін алу үшін, эмбрионның бірнешеуін ертерек бөліп алу. Олар генотиптің сыртқы орта байланысын, қасиеттерінің тұқым қуалауын анықтауға мүмкіндік беруі;
3. Мутантты гендердің кіші популяциясы мен тұқымдық генофондын сақтап қалу;
4. Генотипі бойынша бағалы, бірақ бедеу жануарлардан ұрпақ алу;
5. Зиянды рецессивті гендер мен хромосомалық құбылыстарды анықтау;
6. Малдың ауруға деген төзімділік қабілетін арттыру;
7. Ауруға қарсы күресу шарасы ретінде малдың импорты мен экспортын, криоконсервіленген эмбриондардың импорты мен экспортына ауыстыру;
8. Шетелден әкелінген малдарды жерсіндіру;
9. Іштегі төлдің жынысын анықтау және қажетті жынысты төлді алу;
10. Түраралық көшіру;
11. Химерлі жануарларды алу.
Соңғы он жылдың ішінде эмбрионды трансплантациялау әдісін көптеген елдер өзінің селекциялық бағдарламасына енгізген еді. Шетелдік мамандар (АҚШ, Германия, Канада және т.б.) трансплантациялау әдісінің мәні - селекциялық бағдарламаның жеделдетуінде деп түсіндірген. Бұл сиыр сүтінің өнімділігін - 20%, ал еттің өнімділігін - 20-40% өсіруге мүмкіндік береді. Бұл әдісті селекцияның басқа да белгілерін: өміршеңдігін, көбейгіштігін, аурулар мен стресстерге төзімділігін дамыту үшін де пайдаланады.
Біздің елімізге келетін болсақ, малдың эмбриондарын трансплантациялау зерттеулерін алғаш рет 1965 жылы тәжірибелі биология институтында (қазіргі «Биоген») академик Ф.М. Мухамедғалиевтің басшылығымен қой шаруашылық саласында жүргізілді. Басында жас мамандар ретінде, ал кейін бұл салада атағы шыққан ғалымдар М.М. Тойшыбеков, Р.Б. Абильдинов, О.И. Бердонгарова, К.Д. Джанабеков және т.б. еді. Аталмыш саланың одан әрі жетілдіріп, дамытуға атсалысқан ынталы ғалым, ҚРУҒА корреспондент мүшесі, профессор М.М. Тойшыбеков болатын. Бірінші кезеңде трансплантация әдістемесін үйрету мен ана ағзасының трансплантант-қозы фенотипіне әсерін зерттеу болды. Реципиент пен донор ретінде фенотиптері алшақтау қой тұқымдарын алған. Қазақтың таза биязы жүнді қойдың жатырындағы зиготасын қылшық жүнді қой тұқымдары – еділбай, қарғалы және жергілікті құйрықты қойларына көшірді. Қазақтың биязы жүнді донор-cаулығынан – 17, 2-ден 8-ге дейін бластомер сатысындағы ұрықтарын 15 реципиентке көшірді. 15 саулық-реципиентінің бесеуі бір-бір трансплантант-қозы әкелген.
М.М. Тойшыбековтің бастауымен сырттан әкелінген, саны шектеулі және Қазақстанның табиғи жағдайына қиын жерсінетін қой тұқымдарының эмбриондарын қысқа мерзім ішінде трансплантация тәсілдерін зерттеу жұмыстары жүргізілді. Осының нәтижесінде жаңа биязылау жүнді тұқымның кроссбредті және кроссбед типті жүнді қойларды алған. Шығыс және оңтүстік-шығыс ауданындағы жергілікті қазақтың биязы жүнді саулықтарын линкольн, ромни-марш және бордер-лейстер тұқымды қойлармен шағылыстырып, селекцияның күрделі будандары шығарылған.
Академик В.А. Бальмонттың пікірінше, Қазақстанға 1960 жылдың басында әкелінген ромни-марш, линкольн тұқымдарының аталықтарының көбі өліп, олардың көп бөлігі нашар ұрық беріп, саулықтары ұрықтандыруға мүлдем жарамсыз болатыны жөнінде айтқан. Осы жағдай Алматы облысындағы «Түрген» қой шаруашылығында да дәлелін тапты. 1962 жылдың қыркүйегінде сырттан әкелінген 9 бас линкольн мен 7 бас ромни-марш тұқым қошқарларын шағылыстыру кезінде линкольн тұқымнан 3 қошқар, ал ромни-марштың 2 қошқары ғана жұмыс істеді. Қалған 11 бас қошқардың кейбіреулері өлі ұрық беріп немесе мүлдем шағылыспаған. Сондықтан да импортты таза тұқымды қошқарларды суперовуляция мен эмбриондарды трансплантациялау жолдарымен көбейту қарастырылды.
Бұл мәселе әкелінген қойдың зиготасы эмбриондық дамуы сатысында жергілікті жағдайларға бейімделген биязы және қылшықты жүнді реципиент қой ағзасы арқылы өтуіне байланысты. Бұл факт линкольн тұқымының трансплантант-қошқарының жоғары өнімділігі 4-5 мауысымдай, 6-7 жасқа дейін сақталса, ал сырттан әкелінген линкольн қошқарларының өнімділігі 1-2 жылдан кейін төмендеп, нашарлауы дәлел. Сонымен саны шектеулі, қиын жерсінетін линкольннің таза тұқымды әкелінген қойларынан эмбрион трансплантациясы арқылы жоғары бағалы, сапалы трансплантант-қошқарларды алған. Осы қошқарларды 1994 жылы бекітілген «Түрген» асыл тұқымды мал табыны, сапасы анықталған жаңа биязылау жүнді тұқымның кроссбед жүнді қойларды шығаруда басты рөл атқарды. Трансплантация әдісін одан әрі жетілдіруді қой шаруашылығының Қазақ ғылыми-зерттеу институтында К.Т. Қасымовтың басшылығымен қомақты үлес қосқан. 1987-1992 ж.ж. аралығында 489 трансплантант-қозылар алынған. К.Т. Қасымов пен Ж. Утесиновтың (1993) солтүстік қазақ мериносы мен қазақтың биязы жүнді тұқымды донордың жатырында полиовуляцияны индуцирлеудің жаңа әдістерін ұсынуы бойынша, бір донордан 7-8-ге дейін толық өсіп-жетілген эмбрионды алу мүмкіндігі бар екенін айтқан болатын. Эмбрионды алудың тағы бір тәсілі бойынша солтүстік қазақ мериносының донорынан 91,5% және қазақтың биязы жүнді қойынан - 80,4% дейін эмбрион мен ооциттерді алу көзделді. Ж. Утесиновтың зерттеу қорытындыларына қарағанда, ұрықтандырудан соң 4-ші күні донорлардың қанына индуцирленген полиовуляциялы сарысуды егу арқылы, эмбриондардың бекуі 7,3% және 19,6% өскені анықталды.
Қ.Т. Қасымов пен А.С. Алимжановтың (1996) құйрықты етті-майлы бағыттағы қой шаруашылығында алғаш рет тәжірибе жүзінде эмбрионды трансплантациялау жұмысы жасалды. Осының нәтижесінде еділбай тұқым донорынан өнімділігі жоғары, әрбір саулықтан 2-5-ке дейін ұрпақ, ал жалпы жыл бойына барлығы - 114 трансплантант-қошқарлары алынды. Аталмыш жұмыстың тәжірибелік бөлімі осы тұқымның ең жоғары өнімді қойын алу, Орал облысының «Бірлік» асыл тұқымды зауытында жүргізілді.
Дегерес және қазақтың қылшық жүнді қой тұқымдарының бағалылығы жоғарыларын жылдам көбейту мақсатымен Қазақ Ұлттық аграрлы университетінің жануарлар селекциясы мен биотехнология кафедрасының доценттері – Г.А. Джамалова мен Б.А. Буралхиевтың басшылығымен 1997 жылы Алматы облысындағы «Мади» асыл тұқымды шаруа қожалығында предимплантациялы эмбрионды трансплантациялау жөнінде ғылыми-зерттеу жұмыстар өткізілді.
24 рецепиенттен 16 бас саулық төлдеп, одан 18 трансплантант-қозылар алынды. Бұл трансплантацияланған эмбрион санының 33%-ін құрайды. Бір донорға орташа есеппен 2,5 трансплантант-қозы келеді. Дәстүрлі жолмен алынған бақылау топ қозыларының постнаталды даму кезінде трансплантант-қозылармен салыстырғанда өсуі жылдам екендігі анықталды. Салыстырсақ, қазақтың қылшық жүнді тұқымынан алынған трансплантант-тоқтылары 5 айлық жасында салмағы - 39,4 кг, ал дегерестікі - 37,7 кг, ал ұрғашы трансплантанттікі - 36,4 кг мен 35,1 кг сәйкес, бұл кәдімгі бақылау топпен салыстырған 3-4 кг артық. 18 айлық жасында трансплантант-қошқарлардың тірі салмағының көрсеткіштері элита класының тұқымдық стандартынан да асып түсті. Бұл дегерес тұқымды еркек тоқтыларында – 6,8 кг, немесе 13,8%, ұрғашыларінікі – 8,1 кг, немесе 16,2%, ал қазақтың қылшық жүнді тұқымында - 5,2 кг, немесе 7,4%; 7 кг, немесе 12,7% сәйкес.
Қазіргі уақытқа дейін рецепиент-ана ағзасының трансплантант малдың биологиялық және өнімділік көрсеткіштеріне әсері нашар зерттелген. Кейбір авторлар (Лопырин, Курбатов, Квасницкий) реципиент-ана ағзасында өсірілетін трансплантант ағза фенотипімен қатар сапалық белгілерінің өзгеруіне (түсі, дене бітімі және т.б.) де әсері бар екенін айтқан. Ал келесі авторлар Ф.М. Мухаменгалиев және т.б. (1981), Л.К. Эрнст және т.б. (1982) бұл көзқарасқа қарама-қайшы еді.
М.М. Тойшыбеков пен А. Мусинаның (1995) реципиент-ана ағзасы трансплантант-қозының мінез-құлқы мен ерте постэмбриональді дамуына әсері бар екенін анықтады. Осы әдіспен реципиент жатырында өсірілген тұқымның трансплантант – қозылары еділбай қылшық жүнді құйрықты тұқымның туу кездегі тірі салмағының жоғары болуымен бірге жүн жабының бірсыпара ұзын болуымен ерекшеленді. Аталмыш топтың жаңа туған тоқтыларының жүн жабының орташа ұзындығы 1,82 см, бұл жатыр реципиентінен алынған дегерес және қазақтың биязы жүнді құрбыларымен салыстырғанда 12,3 - 18,2%-ға ұзын. Одан да жоғары көрсеткішті еділбай реципиентінен алған. Олардың еркек тоқтыларынан денесі ірі және ұзын болғандықтан орташа есеппен 3,03 кг жүн, ұрғашыларынан 2,96 кг, ал дегерес пен қазақтың биязы жүнді саулықтан 5,45 және 4,24; 5,43 және 4,17 кг жүн қырқылған.
Жануарлардың биотехнологиясының негізгі мәселесі – жануарларды клондау және генетикалық көшіру әдістерін табу. Клондау сапалы генотипті қысқа мерзімде тез көбейтіп алуда пайдасы мол.
Партено немесе андрогенездік жынысты жолмен көбею кезінде, жаңа ағзаның бастамасын мейоз кезеңінде пайда болып маманданған гамета жасушасы береді. Ол өз кезегінде гаплоидты немесе диплоидты болуы мүмкін. Диплоидті генотип тіршілігінің жалғасуы еркек геномның қатысынсыз да іске асыруға болады, бұны жұмыртқа жасушасының жетілуі кезіндегі мейоз сатысын аттап өту арқылы жасауға болады. Жалпы қазіргі уақытта ұрықтанбаған жұмыртқа жасушасынының бөлшектенуіне әсер ететін факторларды зерттеу үстінде.
Бұл факторларға мыналар жатады: сперматозоидтар, температуралық, механикалық, электромагниттік және иондаушы әсерлер. Егер жұмыртқа жасушасының дамуына сперматозоид факторы үдетсе, онда бұл құбылысты гиногенез деп атайды. Егер жұмыртқаның дамуына басқа да факторлар әсерін тигізсе, онда партеногенез деп атайды. Ал егер де жұмыртқаның геномын жойып, оның әрі қарай жетілуін генетикалық материал болып сперматозоид жүргізсе, онда бұл құбылысты андрогенез дейді. Бұл жағдайда ағза бір немесе бірнеше топ соматикалық жасушалар арқылы дамиды.
Жұмыртқа жасушасының пісіп жетілген кезінде мейоз сатысын басу, ағзаны клондау әдісімен көбейтуге мүмкіндік береді. Табиғатта бұндай көбею саңырауқұлақтардың кейбір түрлерінде кездеседі.
Клондау әдісімен көбею соматикалық жасушалардың генетикалық материалдары негізінде іске асады. Осындай типті көбеюге энуклиалды ұрықтанған жыныс жасушасына соматикалық жасушасының ядросын көшіру жатады. Сүтқоректілерде бір жасушалы егіздерді клондау жиі кездеседі. Ұрықты ерте даму сатысында бір немесе бірнеше бөліктерге бөлшектесе, олардың әрқайсысы жеке дара ағза сияқты жетілуге бейімделген.
Эмбриондардың санын көбейтудің екі тәсілі бар: көшіру арқылы немесе хирургиялық бөлшектеу. Осындай әдіспен алынған эмбриондарды генетика жағынан бағалы ұрғашылардың санын арттыруда мәні зор. Бірақ бұл әдістің кемшіліктері де бар. Оның көмегімен көп мөлшерде бірдей ұрпақ алуға мүмкіндігі әлі жоқ. Эмбрионды өте көп бөлшектерге бөлу, оның жетіуі мен өсуін тежейді. Л.К. Эрнст, Н.А. Кравченко және т.б. (1987) пікірі бойынша осы әдіспен бір жұмыртқалы егіздер фенотипі бойынша бір-бірінің абсолютті көшірмесі емес.
Ұрықты бөлшектеу арқылы немесе басқа да әдістермен сүтқоректілерді клондау, эмбрион санын қосымша көбейтуде қолданылады.
Бүгінгі таңда аналық және аталық жасушаларының негізінде табиғи және жасанды клондау белгілі.
Бүгінгі күнге дейінгі алынған нәтижелерге қарап, жануарларды жасанды түрде клондап көбейтуді ұрықтанусыз-ақ жасау көзделуде. Л.К. Эрнст, Н.А. Кравченко және т.б. (1987) ойынша, жануарлардың генетикалық көшірмесін алу үшін үш жағдайды ескереді:
1. Ооцидтер мен сперматозоидтардың құрылуы сатысындағы генетикалық рекомбинацияны жою;
2. Ата-ана гендерінің рекомбинациясы, яғни ұрықтандыруды жою;
3. Жасушаның бөлшектеуіне активизация.
Ата-ананың гендерінің рекомбинациясын, ұрықтануды жою мәселесінің нұсқалары:
а) партеногенезді үдету, яғни жұмыртқа жасушасын бөлшектеу үшін сперматозоид емес, басқа да физико-химиялық факторды пайдалану;
б) ата-ананың біреуінің генін ұрықтанған жыныс жасушадан алу немесе жою.
Шотландиядағы (1997) Рослин институтында Иана Ушмут дәрігерінің басшылығымен алғаш рет ересек жануар клоны алынған. Бұның мәні мынада: ғалымдар қой желінінен алынған құрамында генетикалық материалы бар, ұрықтанған жұмыртқанының ядросын алып, оның құрамындағы хромосомдарын тазартып, донордың хромосом жиынтығын салады. Содан кейін жұмыртқа жасушаны эмбрион сатысына дейін өсіріп, оны суррогат ана жатырына көшіріп енгізеді. Осылайша генетикалық анасының дәл көшірмесі Долли есімді қой туған.
Жалпы ауыл шаруашылық малдарды клондау тәсілі биология бағытының маңыздысы.
Жалпы жануарлардың ген инженериясы бірқатар бағыт бойынша дамып келеді. Зат алмасуды соған сәйкес жануар өнімділік көрсеткіштерін реттейтін ең алдымен геннің конструкциясын жасау және интеграциялау қажет.
Енді бір бағыты бір қатар ауруға төзімді трансгенді жануарларды шығаруды көздейді. Негізінен олардың ішінен ең маңыздысы бұл – биологиялық бағалы заттардың белсенділігі жоғары продуцентті-трансгенді шығару.
Ресейдің мал шарушылық институтының маңызды жетістігі – интегралды генге химозин гені енгізілген трансгенді қойларды алуы. Бұл әдіспен роман тұқымына жататын екі трансгенді қой шығарылған. Қазір сүтінде белгілі мөлшерде химозині бар үш ұрпақты жануарлар алынды. Химозиннің мөлшеріне байланысты оның коммерциялық бағалылығы да бар. Өйткені, сыр жасау өндірісі мен медицинада пайдаланылады.
Трансгенді жануарларды зиготаның пронуклеусына бөтен генді енгізу арқылы алу әдісі де ойлап табылған. Бірақ бұл өте қымбат әдіс болғандықтан, басқа да әдістерді іздеу үстінде. Интеграциялы бөтен геннің конструкциясын-сперматогоний геніне енгізу мүмкіншілігі де тексерілуде. Бұл жұмыстар бірнеше бағыт бойынша қарастырылуда.
Сонымен қатар басқа да нұсқалар ұйымдастырылуда, бұл жағдайлар торайдың жыныс жасушасының сперматогониін қопсытып, трансфекциялап, in vinro сол дарақтың басқа жыныс жасушасына енгізу көмегімен енгізеді.
Трансгенді жануарлардың генотипі бойынша күрделі, ал саны шектеулі болғандықтан, әртүрлі елдердің ғалымдары өзара бұндай бағалы генетикалық мәліметтерімен алмасуы қажет.
Ұрықтану, ең алдымен, жұмыртқа жасушасының сперматозоидпен уақтылы кездесуіне байланысты, хирургиялық жолмен ұрықтандыру тәсілдерінің ізденістері тұқымды енгізу орнын және енгізу уақыты, яғни жұмыртқа жасушасының шығуы мен фолликулдардың овуляциясы кезінің төңірегінде еді.
Сонымен, биотехнология мен ген инженерияның жаңа әдістері мал селекциясында үлкен жетістіктерге қол жеткізуге жол ашуда. Дәстүрлі селекция жағдайында мүмкіндік болмаған алыс таксономиялы жануарлар тобының комбинациялық белгілерін құрастыру жағдайлары да жасалуда. Жоғарыда айтылған селекциялық әдістер ХХІ ғасырда маңызды орын алатыны және одан әрі күрделеніп дамуы, әрине, сөзсіз.