Проблема клонирования животных: воссоздание вымерших видов

Основные сведения

Естественное клонирование животных и растений часто происходит в результате бесполого и вегетативного размножения, а также в результате амейотического партеногенеза.

Искусственное клонирование животных и растений — новый вид деятельности человека, возникший в период с конца 20-го по начало 21-го века, заключающийся в воспроизводстве старых и создании новых биологических организмов, связанных с изучением генома, предполагающие вмешательство в его структуру, направленные на решение многих практических (кроме научных) задач).

Термины «клон», «клонирование» первоначально использовались в микробиологии и селекции, позже — в генетике, благодаря успеху которой они вошли в широкое употребление. Следует добавить, что кино и литература также способствовали их распространению.

При этом следует учитывать, что точное воспроизведение животного или растения, будь то естественное или искусственное клонирование, невозможно. В любом случае новый организм будет отличаться от материнского за счет соматических мутаций, эпигенетических изменений наследственного материала, влияния окружающей среды на фенотип и случайных отклонений в онтогенезе.

Значение

Создание животных и растений с данными качествами всегда было чрезвычайно заманчивым, потому что это означало создание самых уникальных и необходимых организмов, устойчивых к болезням, климатическим условиям, давая достаточно потомства, необходимое количество мяса, молока, фруктов, овощей и других продуктов. Использование технологии клонирования подразумевает уникальную возможность получения фенотипически и генетически идентичных организмов, которые могут быть использованы для решения различных теоретических и прикладных задач, стоящих перед биомедициной и сельским хозяйством. В частности, использование клонирования могло бы способствовать изучению проблемы тотипотентности дифференцированных клеток, развития и старения организмов и злокачественной трансформации клеток. Благодаря технологии клонирования ожидается появление ускоренной генетической селекции и репликации животных с выдающимися производственными показателями. В сочетании с трансгенезом клонирование животных открывает дополнительные возможности для производства ценных биологически активных белков для лечения различных заболеваний животных и людей. Клонирование животных может позволить тестировать лекарственные средства на идентичных организмах.

Зачем нужны клоны?

Клонирование животных — чрезвычайно дорогая процедура, но она имеет теоретический и практический смысл. Во-первых, способность клонировать животных позволяет людям получить еще больший контроль над природой. Во-вторых, клонирование позволяет понять структуру механизма реализации генетической информации, переданной другому организму, а также подтвердить или опровергнуть гипотезу о накоплении мутаций в ДНК (если гипотеза верна, клоны должны подлежать к более быстрому старению). В-третьих, ученые мечтают сначала воссоздать, а затем клонировать вымершие виды животных, хотя пока это остается только в умах исследователей и не имеет практического способа реализовать это. Клонирование практически применимо для следующих целей:

  • спасение исчезающих видов животных (путем клонирования особей из Красной книги возможно воспроизводство последних в искусственных местообитаниях с последующим расселением клонов в естественной среде);
  • накопление и увеличение количества полезных и породистых особей;
  • клонирование человека — даст возможность решить многие вопросы социологии и психологии, а также позволит создать донорскую базу для органов (однако эту цель активно преследуют церковь и комитеты по биоэтике).

клонирование животных

Клонирование с целью воссоздания вымерших видов

Клонирование можно использовать для воссоздания естественных популяций вымерших животных. Несмотря на наличие некоторых проблем и трудностей, первые результаты в этом направлении уже есть.

Плюсы клонирования

Плюсы и минусы клонирования. Завораживающе и страшно

Клонирование находит применение в генетическом снятии отпечатков пальцев, амплификации ДНК и изменении генетического состава организмов. Его можно использовать для достижения желаемых изменений в генетическом составе людей, тем самым придавая им положительные черты, а также для устранения отрицательных черт. Клонирование также может применяться к растениям для удаления или изменения дефектных генов, делая их устойчивыми к болезням, и может использоваться для развития человеческих органов, делая человеческую жизнь более безопасной.

Кандидаты к воскрешению

При выборе кандидатов на воскресение следует учитывать множество факторов. Во-первых, должна быть доступна относительно неповрежденная ДНК из музейных или ископаемых образцов, которым, по идее, должно быть не более 500 000 лет. Должен быть живой родственник, достаточно близкий к вымершему животному, чтобы выступать в качестве потенциальной суррогатной матери. Серьезными проблемами, препятствующими клонированию, являются браконьерство (например, реинтродукция аравийского орикса в естественную среду обитания в Омане практически уничтожена), отсутствие подходящих мест обитания для многих видов (актуально, в частности, для дельфинов китайской реки из-за загрязнения река Янцзы и миллионы стай странствующих голубей) и болезни, приведшие к их исчезновению. Необходимы оценка, изучение и решение этических, культурных, экологических, социальных, правовых и экологических проблем.

Птицы

  • Странствующий голубь (Ectopistes migratorius). В начале XIX века популяция странствующих голубей насчитывала несколько миллиардов особей, а к концу века вид был полностью истреблен. Последний голубь умер 1 сентября 1914 года в зоопарке Цинциннати. ДНК музейных образцов была сильно повреждена, но американский биолог Джордж Черч предложил реконструировать геном птицы, объединив фрагменты ДНК из разных образцов. Теоретически возможно создать гены, отвечающие за некоторые характерные черты странствующих голубей, а затем вставить эти гены в стволовые клетки голубых голубей. Стволовые клетки с измененным геномом можно трансформировать в половые клетки, а затем имплантировать в яйца сизого голубя, откуда они переместятся в развивающиеся половые органы эмбриона. Птенцы, вылупившиеся из этих яиц, будут производить яйца и сперму голубя-сапсана. Потомство этих птиц будет иметь характеристики вымершего вида .
  • Моа (Dinornithiformes). Отряд крупных птиц-ратитов, насчитывающий 9 видов, распространенных в Новой Зеландии. Самые крупные представители — Dinornis robustus и крупный моа (Dinornis novaezealandiae) — достигали высоты 3,6 м и весили до 230 кг. Вымерли в 15-16 веках из-за неконтролируемой охоты маори. К настоящему времени обнаружено большое количество костей и мягких тканей этих птиц. Основная проблема — поиск суррогатной матери, поскольку эволюционные линии моа и их ближайших родственников — южноамериканских тинаму — разошлись примерно 58 миллионов лет назад.
  • Эпиорнис (Aepyornithiformes) — еще один отряд крупных птиц-ратитов, в который вошли около семи видов. Эндемичные для Мадагаскара, они были самыми крупными птицами за всю историю Земли: например, высота Aepyornis maximus достигала 3-5 м, а масса — до 270 кг. Ученые выделили ДНК из яичной скорлупы, многие из которых оказались нетронутыми. Поиск суррогатной матери может вызвать определенные трудности, поскольку ближайшие родственники эпиорниса — это небольшой новозеландский киви, отделившийся от эпиорниса 50 миллионов лет назад.
  • Дронт, или додо (Raphinae), является подсемейством голубей, эндемичным для Маскаренского архипелага, вымершим в 17 веке из-за чрезмерной охоты, разрушения среды обитания и хищничества со стороны завезенных крыс и свиней. Несколько образцов додо были собраны первыми европейскими исследователями и теперь доступны в музейных коллекциях, включая мягкие ткани, из которых потенциально возможно извлечение ДНК. Ближайший родственник дронта — гривистый голубь (Caloenas nicobarica).
  • Попугай каролина (Conuropsis carolinensis). Единственный вид попугаев, обитающий на востоке США. Он распространился от юга Нью-Йорка до Мексиканского залива и штата Висконсин на западе. Он населял леса вдоль рек, ел орехи и фрукты, и поэтому его безжалостно преследовали охотники. Последний человек умер в зоопарке Цинциннати в 1918 году. 720 шкур, 16 скелетов и несколько останков яиц были сохранены в музеях по всему миру. Согласно исследованию митохондриальной ДНК, ближайшими родственниками попугая Кэролайн являются солнечная аратинга (Aratinga solstitialis), аратинга с золотым капюшоном (Aratinga auricapillus) и черноголовый попугай (Aratinga nenday).

Пресмыкающиеся

  • Динозавры (Dinosauria). Согласно современным представлениям, все динозавры, не являющиеся птицами, вымерли в конце мелового периода, и, таким образом, их ДНК была полностью уничтожена. Однако в 2007 году ученым удалось извлечь белок коллагена из костей тираннозавра рекса и даже прочитать фрагменты его генетической последовательности. В 2009 году белки были выделены из костей брахилофозавра возрастом около 80 миллионов лет.

Земноводные

  • Реобатрахус (Rheobatrachus) — род австралийских эндемичных лягушек, который включает два вида с очень ограниченным ареалом. Оба вида считались вымершими с середины 1980-х годов. Rheobatrachus silus был уникален тем, что самки этого вида носили детенышей в своих желудках, а после того, как лягушки развились, самка их извергала. Причины исчезновения точно не известны, но биологи предполагают, что исчезновение могло быть вызвано загрязнением, ухудшением состояния окружающей среды и болезнями, особенно хитридиомикозом. Ряд исследователей предположили, что уникальный жизненный цикл лягушки поможет понять процессы производства и подавления кислоты, что, в свою очередь, может облегчить боль у людей, страдающих язвами и другими желудочными заболеваниями.

Шерстистый мамонт

Вымер около 10 тысяч лет назад

Ученые — люди серьезные и прагматичные. Не думайте, что они выбирают кандидатов для клонирования из числа своих фаворитов. Нет, исследователи изучают, как воскресшие виды могут принести пользу нынешней экосистеме. Если животное способствует его стабилизации и оздоровлению, ему дается возможность вернуться из забвения.

Взять, к примеру, шерстистого мамонта (Mammuthus primigenius) и его соседей, живших 2-10 тысяч лет назад. С исчезновением этих гигантов, помимо шерстистых носорогов, древних бизонов и косуль, исчезли и богатейшие цветущие мамонтовые степи, которые кормили и других крупных травоядных: диких лошадей, овцебыков, лосей. Сейчас на севере нашей страны, где жили все эти животные, есть голая тундра. Последний ледниковый период уничтожил не только мегафауну, но и флору.

Кажется, идея воскрешения мамонтов витала в воздухе с тех пор, как они были обнаружены вымершими. Но в последнее время идея начала воплощаться в жизнь. В 2008 году группа российских генетиков расшифровала последовательность митохондриальной ДНК (митохондрии являются важным компонентом каждой клетки животных и растений вместе с ядром клетки, аппаратом Гольджи, рибосомой, лизосомой и т.д.), Выделенной из ископаемых останков одного человека шерстистый мамонт. А в 2011 году международная группа под руководством Уэбба Миллера и Стивена Шустера из Пенсильванского университета (США) восстановила 70% ДНК мамонта. В 2015 году профессор Гарварда Джордж Черч успешно трансплантировал гены мамонта в ДНК африканского слона. Большая группа ученых из России, США, Южной Кореи и Японии в настоящее время работает над клонированием шерстистого мамонта. Положительных результатов пока нет, но, наблюдая за упорством исследователей, можно хотя бы надеяться на успех.

Еще больше надежд на воскрешение мамонта вселяет тот факт, что в Якутии за последние 20 лет приготовлен дом для этого животного — восстановлено растительное разнообразие мамонтовых степей. Проект под названием «Плейстоценовый парк» был запущен в 1997 году российским экологом, директором Северо-Восточной научной станции Российской академии наук Сергеем Зимовым.

Время от времени исследователи обсуждают необходимость возвращения еще одного представителя мегафауны плейстоцена — шерстистого носорога (Coelodonta antiquitatis). Но пока серьезно клонированием никто не занимается.

Странствующий голубь

Последний человек умер в 1914 году

Выводы палеонтологов указывают на то, что именно эти птицы семейства голубиных нашли мамонтов: самым старым останкам не менее 100 тысяч лет. Ходячие голуби (Ectopistes migratorius) пережили многое: изменение климата, исчезновение мегафауны. Они обитали исключительно на территории современной Северной Америки, то есть были ее эндемиками. Ученые считают, что до 17 века, до начала колонизации земель Северной Америки, популяция этих птиц исчислялась миллиардами.

Поселенцы, отведав нежное мясо кочующих голубей, начали массово истреблять их. Крупномасштабная вырубка лесов в местах гнездования птиц, а также уничтожение основной пищи голубей, американских каштанов, также сыграли роль в исчезновении этого вида. В начале 20 века эти птицы практически не оставались в дикой природе, а в 1914 году погибла последняя голубка по имени Марта, жившая в зоопарке американского города Цинциннати.

Сейчас в Калифорнии независимая исследовательская организация Revive and Restore, созданная с целью воскрешения вымерших видов, работает над клонированием странствующего голубя. Для основателя организации, биолога-эволюциониста и эколога Бена Новака это приоритетный проект (Revive and Restore одновременно клонирует несколько истребленных видов животных): он обещает представить первую в мире особь в 2025 году.

Маврикийский дронт, или додо

Уничтожен в 1680 г

Образ этой птицы, обитавшей исключительно на острове Маврикий, многим знаком по сказке Льюиса Кэрролла «Алиса в стране чудес». Главный герой встречает существо по имени Додо у Слезного пруда и удивляется его заумной, запутанной и перегруженной словами речи. На иллюстрациях Джона Тенниела к первому изданию книги новый знакомый Алисы изображен в виде птицы с тяжелым телом, большими ногами, крошечными крыльями и мощным клювом, расширяющимся к центру, изогнутым и заостренным в самом конце. Так изображен маврикийский дронт (Raphus cucullatus) на зарисовках голландских колонизаторов, прибывших на Маврикий в конце XVI века. Их иллюстрации и дневниковые записи — самые ранние документальные свидетельства существования дронта.

Подобно странствующим голубям, дронт вызывал у поселенцев чисто гастрономический интерес, о чем свидетельствуют сохранившиеся записи в бортовых журналах и на борту. «Эта птица такая большая, что мы не могли есть ее целиком, оставшееся мясо приходилось солить», — жаловался или приветствовал моряк Уильям ван Вест-Замен.

Додо были действительно крупными: рост некоторых особей достигал одного метра, а вес — 17 килограммов. Они быстро истребили этих птиц, потому что они были легкой добычей: у них не было естественных врагов и позволяли людям сближаться. Принесенные моряками домашние животные также способствовали исчезновению: собаки и свиньи, которые размахивали гнездами дронтов и лакомились их яйцами. Согласно современным исследованиям, последние особи маврикийского дронта умерли в конце 17 века.

В начале 2000-х британские и американские ученые во главе с молекулярным биологом и генетиком, профессором эволюционной биологии Бет Шапиро начали расшифровку генома дронта. Работа ведется на базе Оксфордского университета, в качестве биоматериала используются высушенные головы додо из коллекции Музея естественной истории в Оксфорде. Пока что ученые восстановили ДНК птицы лишь частично и начали сравнивать ее гены с ДНК современных птиц, потенциальных родственников дронта. Это важно, потому что вид можно восстановить только путем введения его генов в яйцеклетку живого организма из общего семейства. Сенсационных результатов пока нет.

Вересковый тетерев

Последний человек умер в 1932 году

Тетерев (Tympanuchus cupido cupido) был похож на сегодняшнего тетерева, но меньше, размером с домашнюю курицу. В свое время эта птица обитала практически на всей территории современных Соединенных Штатов. Согласно записям, оставленным поселенцами, мясо тетерева было чрезвычайно вкусным, а сами птицы были невероятно большими: их убивали сотнями, если не тысячами, каждый день. Туши были проданы за бесценок. Однако оказывается, что решающую роль в истреблении вида сыграл не человек, а смертельная болезнь птиц, гистомоноз, который вместе с цыплятами привел к некрозу печени и кишечника, вызванному простейшими Histomonas meleagridis.

В конце 19 века осталось около двухсот особей, причем только на малонаселенном острове Мартас-Винъярд (ныне часть штата Массачусетс, США). Пытаясь исправить ситуацию и увеличить популяцию вереска, американцы создали на этом острове заповедник, но их усилия оказались тщетными: в 1932 году последняя особь погибла.

Основная работа по клонированию пернатых проводится учеными Revive and Restore. Для них воскрешение тетерева — второй приоритетный проект после странствующего голубя. Так что у этой птицы тоже есть шанс вернуться.

Бескрылая гагарка

Последние представители были уничтожены в 1850 г

Единственная нелетающая птица семейства гадюковых, в которую входят многие современные морские птицы: тупики, кайры, люрики, конюки и др. гагарин (Pinguinus impennis) обитал в северных водах Атлантического океана (на северо-восточном побережье США, Канады, Гренландии, Исландии, Фарерских островов, Норвегии). Своим строением, медлительностью, черно-белым окрасом он напоминал пингвинов. Ученые давно спорят об их отношениях. Однако в 2002 году, когда была расшифрована митохондриальная ДНК гадюки, стало очевидно, что эта птица происходит из совершенно другого семейства.

В эпоху великих географических открытий перо и яйца гадюки пользовались большим спросом у европейцев. К XIX веку популяция птиц резко сократилась, а чучела животных стали цениться среди коллекционеров, что вызвало новую волну насилия против гагарок. Он помогал людям в истреблении птиц и их естественных врагов: косаток и белых медведей. Есть версия, что последние особи, жившие у канадского острова Ньюфаундленд, были найдены и уничтожены браконьерами в 1850 году.

Несколько научных групп из США и Европы пытаются воскресить это животное при поддержке той же организации Revive and Restore.

Клонирование испанского козерога

Клонированный детеныш вымершего подвида пиренейского горного козла (Capra pyrenaica pyrenaica) родился в Испании в 2003 году. О клонировании сообщалось в январском номере журнала Theriogenology».

Этот подвид пиренейских коз полностью исчез в 2000 году (причины исчезновения точно не известны). Последний представитель этого вида, самка по имени Селия, умерла в 2000 году. Но ранее (в 1999 году) Хосе Фолч из Арагонского исследовательского центра сельского хозяйства и технологий (CITA) взял несколько клеток кожи у Селии для анализа и хранения в жидком азоте. Этот генетический материал был использован при первой попытке клонирования вымершего подвида.

Экспериментаторы перенесли ДНК букарда в яйца домашних коз, лишенных собственного генетического материала. Полученные эмбрионы были посажены суррогатным матерям — самкам других подвидов испанской козы или гибридным видам, полученным путем скрещивания домашних и диких коз. Таким образом, было создано 439 эмбрионов, 57 из которых были имплантированы в суррогатную матку. Только семь операций закончились беременностью, и только одна коза в конечном итоге родила самку Букардо, которая умерла через семь минут после рождения от респираторных заболеваний.

Несмотря на неудачное клонирование и смерть клонированного козла, многие ученые считают, что такой подход может быть единственным способом спасти исчезающие виды. Это дает ученым надежду на то, что исчезающие и недавно вымершие виды можно воскресить с помощью замороженной ткани .

Каких животных уже клонировали?

Долли — самый известный клон, но далеко не первый. История клонирования начинается за столетие до рождения овцы.

В 1885 году Ганс Дриш разделил двухклеточный эмбрион морского ежа и произвел на свет двух идентичных близнецов. Затем, в 1902 году, Ганс Спеманн использовал волос для разделения эмбриона саламандры и также получил два клона.

Спустя 50 лет начались эксперименты с переносом ядра в яйцо. Во-первых, было обнаружено, что ядро ​​эмбриональной клетки вставляется в пустое яйцо лягушки, а вскоре после этого из кишечной клетки лягушки вырастает головастик.

Затем настала очередь млекопитающих. В 1984 году Стин Вилладсен вставил «Историю клонирования ядра эмбриона овцы в безъядерное яйцо». Суррогатная мать овца принесла трех ягнят-клонов. Аналогичным образом из эмбриональных клеток были успешно клонированы цыплята, овцы и коровы.

Наконец, в 1996 году исследователи из Института Росслин в Шотландии создали первый клеточный клон вымени шестилетней овцы. После 276 попыток эксперимент был успешным, и на свет появилась овечка Долли.

клонирование: овец долли

После Долли с помощью этой технологии были клонированы многие животные: корова, кошка, олень, собака, лошадь, мул, бык, свинья, кролик, крысы и мыши, коза, волк.

Ученые пытались клонировать обезьян, но это оказалось не так просто. Всего через 10 лет после Долли в пробирке были выращены стволовые клетки макаки-резуса и создано такое же количество живых клонов. В 2018 году в результате эксперимента китайских ученых был создан метод клонирования макак с помощью переноса ядер соматических клеток двумя длиннохвостыми макаками: Цзун Цзун и Хуа Хуа.

Методы клонирования

Клонирование живых организмов осуществляется в рамках молекулярной инженерии, поэтому методы клонирования частично пересекаются с методами указанной науки.

Метод пересадки ядер

Каждая живая клетка состоит из двух основных компонентов: ядра и цитоплазмы. Цитоплазма — это вместилище органелл, в котором они выполняют свои жизненно важные функции. Ядро — это хранилище генетической информации; такие процессы, как наследственность и изменчивость, также достигаются с помощью ядра. При реализации метода ядерной трансплантации происходит банальное встраивание ядра соматической клетки в генеративную, однако такая технология возможна только при работе с амфибиями. При трансплантации ядер млекопитающих используется другая технология, суть которой заключается в следующем: с помощью микропипетки соматическая клетка вводится под мембрану плодного яйца, затем с помощью электрического тока осуществляется разряд, так как в результате чего происходит столкновение двух субстратов, а затем обе клетки сливаются в одну, содержащую генетическую информацию соматической клетки (поскольку ядро ​​яйца ранее было разрушено). Кроме того, начинается фаза культивирования, а затем осуществляется имплантация эмбриона, существующего на стадии морулы (второй стадии эмбрионального развития млекопитающих), в матку животного этого вида. Эта биотехнология самая передовая, она использовалась при клонировании овцы Долли.

Метод разделения эмбриона на первых стадия дробления

Во время эмбрионального развития бластомеры образуются из оплодотворенной яйцеклетки, разделенной на несколько субъединиц (в зависимости от стадии эмбрионального развития количество субъединиц бластомера и размер изменяется в зависимости от типа дробления). Когда эмбрион достигает стадии морулы, ученые делят тело на два новых и имплантируют последнее в матку «суррогатной матери». Этот метод применим к морским ежам и лягушкам.

клонирование кукол

Метод активации неоплодотворенного яйца

Эта технология — один из первых методов клонирования животных, с ее помощью выяснилось, что создан клон тутового шелкопряда. Ооцит термически нагревали, предотвращая первое мейотическое деление; из яйца вылупились самки. Впоследствии метод был усовершенствован: под воздействием гамма-излучения, которое сделало женскую репродуктивную клетку неспособной к оплодотворению, проникающее ядро ​​сперматозоида удвоилось, в результате чего появились только самцы. Открытие этого метода принадлежит советскому лидеру Астраулову

Трудности и проблемы при клонировании млекопитающих

Сложность клонирования — это финансовые затраты на неэффективные процедуры. Дело в том, что в эксперименте с овечкой Долли потребовалось 277 попыток, чтобы создание клона овцы увенчались успехом. Проблемы клонирования многочисленны, вот самые важные:

  1. Низкая эффективность процедуры (см. Выше).
  2. Быстрое старение и появление болезней у клонов. Вероятно, это связано с накоплением мутации в ДНК, которую донор использовал для получения клона. При рождении экземпляров проблем со здоровьем не обнаружено, однако позже наступило сильное старение, возникновение заболеваний органов и систем, а также ранняя смертность. Эта проблема до сих пор не решена учеными, так как невозможно защитить ДНК от свободнорадикальных мутаций, которые происходят в течение жизни человека.
  3. Отличие клонов от оригинала. Несмотря на общую генетическую информацию, отличия клона от оригинала возможны по двум причинам:
  4. разные условия фенотипического развития организма;
  5. инактивация хромосом на ранних стадиях эмбрионального развития.

был клонирован человек

Оцените статью
Блог про генетику