История и функции на клонирането

Историята на клонирането и неговите характеристики са се развили с течение на времето, напредвайки и пораждайки модерното клониране, в тази статия ще прегледаме неговата еволюция и как се прилага в момента.

Клонирането е техника, използвана от учените за създаване на точни генетични копия на живи същества. Гени, клетки, тъкани и дори цели животни могат да бъдат клонирани..

При хората еднояйчните близнаци са подобни на клонингите. Те споделят почти същите гени. Еднояйчните близнаци се създават, когато оплодената яйцеклетка се раздели на две.

Клонирането е процес на вземане на генетична информация от живо същество и създаване на негови идентични копия. Копираният материал се нарича клонинг. Генетиците са клонирали клетки, тъкани, гени и цели животни.

Въпреки че този процес може да изглежда футуристичен, природата го прави от милиони години. Например еднояйчните близнаци имат почти идентична ДНК, а безполовото размножаване при някои растения и организми може да доведе до генетично идентично потомство. И учените правят генетични двойници в лабораторията, въпреки че процесът е малко по-различен.

Първото изследване на клонирането се провежда през 1885 г., когато немският учен Ханс Адолф Едуард Дриш започва да изследва репродукцията. През 1902 г. той успява да създаде набор от саламандри близнаци, като разделя един ембрион на два отделни жизнеспособни ембриона, според Центъра за обучение по генетични науки. Оттогава има много напредък в клонирането.

Клонирането е процес на производство на индивидуални организми с идентична или почти идентична ДНК по естествен или изкуствен път.

В областта на биотехнология, Cloning is the process of creating cloned organisms (copies) of cells and DNA fragments (molecular cloning).

There are three different types of cloning, according to the National Human Genome Research Institute (NHGRI):

• Gene cloning, also called DNA cloning, creates copies of genes, or segments of DNA.
• Reproductive cloning creates duplicates of whole animals.
• Therapeutic cloning creates embryonic stem cells, which are used to create tissues that can repair or replace damaged tissue.

Първото изследване на клонирането се провежда през 1885 г., когато немският учен Ханс Адолф Едуард Дриш започва да изследва репродукцията. През 1902 г. той успява да създаде набор от саламандри близнаци, като разделя един ембрион на два отделни жизнеспособни ембриона, според Центъра за обучение по генетични науки. Оттогава има много напредък в клонирането.

През 1958 г. британският биолог Джон Гърдън клонира жаби от кожни клетки на възрастни жаби. На 5 юли 1996 г. женска овца ражда известната сега Доли, агне от Фин Дорсет – първият бозайник, клониран от клетки на възрастно животно – в института Рослин в Шотландия.

„Раждането на Доли и новото разбиране за възможността за промяна на начина, по който функционират клетките, подтикнаха изследователите да обмислят други възможни начини за модифициране на клетките.“, Иън Уилмът, учен който ръководи екипа, създал Доли, каза пред Live Science.

След Доли са родени много повече животински клонинги и процесът става все по-широко разпространен. Клонирането на човешки клетки също е изследвано. През 2013 г. учени от Oregon Health & Научният университет взе ДНК от 8-месечен донор с рядко генетично заболяване и успешно клонира човешки ембрионални стволови клетки за първи път.

За съжаление, изследователите не са извлекли клетките, за да спасят детето. Проектът трябваше да демонстрира, че зрелите донорски клетки могат да се използват за производството на нови. Това изследване еволюира в използването на стволови клетки за много различни приложения, като растеж на косата, лечение на изгаряния и др.

Ханс Адолф Едуард Дриш

Морският таралеж е сравнително прост организъм, който е полезен за изучаване на развитието. Драйш показа, че чрез просто разклащане на ембриони на двуклетъчни морски таралежи е възможно те да бъдат разделени. Веднъж отделена, всяка клетка прераства в пълен морски таралеж.

Този експеримент показа, че всяка клетка в ранния ембрион има свой собствен пълен набор от генетични инструкции и може да израсне в цялостен организъм.

Hans Spemann

Първото предизвикателство пред Шпеман беше да разбере как да раздели двете клетки на ембрион, който беше много по-лепкав от тези на морския таралеж. Спеман създаде малка примка от кичур бебешка коса и я притисна между две клетки на ембрион на саламандър, докато се разделят.

Всяка клетка израства във възрастен саламандър. Spemann също се опита да раздели по-напреднали ембриони на саламандри, използвайки този метод, но установи, че клетките в тези ембриони не са толкова успешни в развитието на възрастни саламандри.

Този експеримент показа, че ембриони от по-сложно животно също могат да се „побратимят“, за да образуват множество идентични организми, но само до определен етап на развитие.

Hans Spemann

Отново използвайки кичур бебешка коса, вързана в примка, Спеман временно стисна оплодено яйце на саламандър, за да избута ядрото от едната страна на цитоплазмата.

Яйцето се разделя на клетки, но само от страната на ядрото. След четири клетъчни деления, довели до 16 клетки, Спеман разхлаби примката, оставяйки ядрото на една от клетките да се плъзне обратно в неразделената страна на яйцето. Той използва примката, за да отдели тази „нова“ клетка от останалата част от ембриона. Единичната клетка прерасна в нов ембрион на саламандър, точно както останалите отделени клетки.

Този експеримент, който е първият случай на ядрен трансфер, показа, че ядрото на ранна ембрионална клетка ръководи целия растеж на саламандър, като ефективно замества ядрото на оплодена яйцеклетка.

Робърт Бригс и Томас Кинг

Бригс и Кинг прехвърлят ядрото на ранен ембрион на попова лъжица в енуклеирано жабешко яйце (жабешко яйце, от което е премахнато ядрото). Получената клетка стана попова лъжица.

Учените създадоха много клонинги на нормални попови лъжички, използвайки ядра от ранни ембриони. Но, както в експериментите със саламандър на Spemann, клонирането беше по-малко успешно с ядра от по-напреднали донори на ембриони: малкото клонирани попови лъжички, които оцеляха, растяха необичайно.

Най-важното е, че този експеримент демонстрира, че ядрен трансфер е жизнеспособна техника за клониране. Той също така подсили две по-ранни наблюдения.

Първо, ядрото задвижва клетъчния растеж и в крайна сметка развитието на организма. Второ, ембрионалните клетки в ранните етапи на развитие са по-добри за клониране от клетките в по-късните етапи.

John Gurdon

Гърдън трансплантира ядрото на клетка от червата на попова лъжица в енуклеирано жабешко яйце. По този начин той създава попови лъжички, генетично идентични с тези, от които е взета чревната клетка.

Този експеримент показа, че въпреки предишни неуспехи, ядрата на соматични клетки от напълно пораснало животно могат да бъдат използвани за клониране. По-важното е, че предполага, че клетките запазват целия си генетичен материал, дори когато се разделят и диференцират (въпреки че някои се съмняват дали донорната ДНК идва от стволова клетка, която може да се диференцира в множество типове клетки).

Иън Уилмът и Кийт Кембъл

Всички предишни експерименти за клониране са използвали донорни ядра от ранни ембрионални клетки. В този експеримент донорните ядра идват от малко по-различен източник: култивирани овчи клетки, които се поддържат живи в лабораторията.

Wilmut и Campbell прехвърлят ядрата от култивираните клетки в енуклеирани овчи яйца. Агнетата, родени от тази процедура, бяха кръстени Меган и Мораг.

Този експеримент демонстрира, че култивираните клетки могат да осигурят донорни ядра за клониране с ядрен трансфер. Тъй като учените вече са се научили как да прехвърлят гени в култивирани клетки, този експеримент показа, че е възможно да се използват тези модифицирани клетки за създаване на трансгенни животни, като крави, които могат да произвеждат инсулин за диабетици в млякото си.

Ian Wilmut y Keith Campbell

В този забележителен експеримент Уилмът и Кембъл създадоха агне, като прехвърлиха ядрото на клетка от вимето на възрастна овца в енуклеирана яйцеклетка. Никога преди бозайник не е бил клониран от възрастна соматична клетка. Какъв беше проблема?

Ядрото на всяка клетка съдържа пълен набор от генетична информация. Въпреки това, докато ембрионалните клетки са готови да включат всеки ген, диференцираните възрастни клетки са изключили гени, от които не се нуждаят за техните специфични функции. Когато ядрото на възрастна клетка се използва като донор, нейната генетична информация трябва да бъде възстановена до ембрионалното състояние. Често процесът на възстановяване е непълен и ембрионите не успяват да се развият.

От 277 опита, само един е създал ембрион, който е донесъл в сурогатна майка. Тази известна овца, наречена Доли, постави клонирането в светлината на прожекторите. Пристигането й предизвика разговори за последиците от клонирането и подчерта противоречията около клонирането на хора и изследванията на стволови клетки.

Li Meng, John Ely, Richard Stouffer y Don Wolf

Приматите са добри модели за изучаване на човешки разстройства. Клонирането на идентични примати би намалило генетичните вариации в изследователските животни и по този начин броя на животните, необходими за изследователски изследвания.

Както при предишни експерименти за клониране, екипът от учени на Улф сля ембрионални клетки в ранен стадий с енуклеирани маймунски яйца, използвайки малък електрически удар. Получените ембриони са имплантирани в сурогатни майки. От 29-те клонирани ембриона се родиха две маймуни. Едното беше женско на име Нети, а другото мъжко на име Дито.

Този експеримент показа, че приматите, най-близките роднини на хората, могат да бъдат клонирани.

Angelika Schnieke, Keith Campbell, Ian Wilmut

Този експеримент беше вълнуваща комбинация от резултати от предишна работа. Кембъл и Уилмът вече са създали клонинг, използвайки ядрото на култивирана клетка. Този път изследователите въведоха гена за човешки фактор IX (“фактор девет”) в генома на клетки от овча кожа, отгледани в лабораторна чиния. Фактор IX кодира протеин, който помага за съсирването на кръвта и се използва за лечение на хемофилия, генетично заболяване, при което кръвта не образува правилни съсиреци.

За да създадат трансгенната овца, учените извършиха ядрен трансфер, използвайки донорна ДНК от култивирани трансгенни клетки. Резултатът беше Поли, овца, която произвеждаше протеин на фактор IX в млякото си.

Този експеримент показа, че овцете могат да бъдат модифицирани, за да произвеждат терапевтични и други полезни протеини в млякото си, подчертавайки потенциалните медицински и търговски приложения на клонирането.

Multiple groups

След успехите на Доли и Поли други учени искаха да видят дали подобни техники могат да се използват за клониране на други видове бозайници. За кратко време още няколко животни бяха успешно клонирани. Те включват трансгенни животни, клонинги, направени от фетални и възрастни клетки и мъжка мишка; всички предишни клонинги са били женски.

За да създадат трансгенната овца, учените извършиха ядрен трансфер, използвайки донорна ДНК от култивираните трансгенни клетки. Резултатът беше Поли, овца, която произвеждаше протеин на фактор IX в млякото си.

Този експеримент показа, че овцете могат да бъдат модифицирани, за да произвеждат терапевтични и други полезни протеини в млякото си, подчертавайки потенциалните медицински и търговски приложения на клонирането.

Различни групи

С нарастването на списъка с успешно клонирани животни учените започнаха да изследват клонирането като начин за създаване на животни, принадлежащи към застрашени или изчезнали видове. Едно от предизвикателствата при клонирането на застрашени видове е намирането на близкородствени животни, които да служат като донори на яйцеклетки и сурогати. Гаурът и муфлонът са избрани отчасти защото са близки роднини съответно на домашните говеда и овцете.

През 2009 г., използвайки кози като донори на яйцеклетки и сурогати, друга група изследователи клонира първото изчезнало животно, испански козирог, наречен bucardo. За съжаление, единственото дете, което оцеля след бременността, почина малко след раждането поради белодробен дефект.

Шухрат Миталипов и колеги

Изследователите взеха клетка от възрастна маймуна и я сляха с енуклеирана яйцеклетка. Те оставиха ембриона да се развие за известно време и след това отгледаха клетките му в съд за култура. Тези клетки, способни да се диференцират, за да образуват всякакъв вид клетка, се наричат ​​ембрионални стволови клетки.

Този експеримент показа, че ядрен трансфер в примат, който изследователите са опитвали от години без успех, е възможен. Той отвори вратата към възможността за терапевтично клониране на хора: създаване на индивидуални специфични стволови клетки, които биха могли да се използват за лечение или изследване на заболявания.

Шухрат Миталипов и колеги

Преодолявайки десетилетия технически трудности, Миталипов и колегите му бяха първите, които използваха ядрен трансфер на соматични клетки, за да създадат човешки ембрион, който може да се използва като източник на ембрионални стволови клетки. Получените линии от стволови клетки са специфични за пациента, от който идват, бебе с рядко генетично заболяване.

В този експеримент изследователите взеха клетка от кожата на пациента и я сляха с дарена яйцеклетка. Ключът към успеха на експеримента бяха модификациите на културалната течност, в която беше извършена процедурата, и серията електрически импулси, използвани за стимулиране на яйцеклетката да започне да се дели.

След спора за клонирането от 2004-2005 г., в който южнокорейски учени фалшиво твърдяха, че са използвали ядрен трансфер на соматични клетки за създаване на ембрионални стволови клетъчни линии, научната общност поиска много по-сериозни доказателства, че процедурата действително е била успешна.

Клониращите вектори или молекулярните вектори са молекули носители, които пренасят и репликират ДНК фрагменти, вмъкнати в тях, като използват рекомбинантни ДНК техники. За да служи като вектор, една молекула трябва да може да се репликира заедно с ДНК фрагмента, който носи. Той също така трябва да има последователности за разпознаване, които позволяват вмъкването на ДНК фрагмента да бъде клониран.

• Векторът за клониране трябва да има източник на репликация, за да се самовъзпроизвежда в клетката гостоприемник.
• Трябва да бъде ограничено за вмъкване на целевата ДНК.
• Трябва да има избираем маркер с ген за резистентност към антибиотици, за да помогне при избора на рекомбинантния организъм.
• Той трябва да е малък по размер, за да може лесно да се интегрира в клетката гостоприемник.
• Трябва да може да вмъкне голям ДНК сегмент.
• Трябва да има няколко сайта за клониране.
• Произходът на репликацията е важно свойство на векторния дизайн. Неговото присъствие ръководи правилната репликация, която помага да се поддържа висок брой копия в хоста.
• Размерът на вектора трябва да е по-малък (по-малко от 10kb). Колкото по-малък е размерът, толкова по-голям е шансът по-голям ген да бъде вмъкнат и лесно трансформиран в гостоприемника.
• Той трябва да може да работи както в прокариотни, така и в еукариотни системи.

Няколко компании вече предлагат услуги, използващи технология за клониране. Например Sooam Biotech, базирана в Южна Корея, клонира домашни любимци за около 100 000 долара. А компания от Тексас, Viagen Pets, клонира котки за 25 000 долара и кучета за 50 000 долара.

Дори растения се клонират. Една компания клонира кленови дървета, за да доставя дървесина на производителите на китари, като се стреми да дублира качество на дървесината, наречено “фигуриране”, което придава на китарата нещо като лъскав вид.

Има много други приложения на клонирането. Филмът “Джурасик парк” разпали въображението на публиката и повдигна въпроса: “Можем ли да използваме клонирането, за да върнем изчезнали видове чрез клониране?” За да успее този процес, учените ще се нуждаят от жива ДНК от изчезналото животно и живо животинско яйце, което е тясно свързано с изчезналото същество.

На 30 юли 2003 г. група учени, ръководени от José Folch от Centro de Tecnología e Investigación Alimentaria de Aragón в северна Испания, върнаха изчезнала дива коза, наречена bucardo или пиренейски козирог.

Според National Geographic клонираното животно е живяло само 10 минути, но учените са доказали, че изчезнало животно може да бъде върнато. Изследователи от Харвард в момента работят върху клонирането на вълнисти мамути и казват, че трябва да могат да го направят през 2019 г.

Прочетете повече в нашия блог