Клонирование (биология)

Естественное клонирование (в природе) у сложных организмов

Основная статья: Бесполое размножение

Основная статья: Партеногенез

Клонирование широко распространено в природе у различных организмов. У растений естественное клонирование происходит при различных способах вегетативного размножения. У животных клонирование происходит при амейотическом партеногенезе и различных формах полиэмбрионии. Так, среди позвоночных известны клонально размножающиеся виды ящериц, состоящие из одних партеногенетических самок. У человека естественные клоны — монозиготные близнецы. У некоторых видов броненосцев в норме рождается от четырёх до девяти монозиготных близнецов. Широко распространено клональное размножение среди ракообразных и насекомых. Уникальный вариант естественного клонирования открыт недавно у муравьёв — малого огненного муравья (Wasmannia auropunctata), самцы и самки которого клонируются независимо, так что генофонды двух полов не смешиваются. У этого вида рабочие особи развиваются из оплодотворённых яиц, матки — из неоплодотворённых диплоидных яиц. В некоторых яйцах, оплодотворённых самцами, все хромосомы матери разрушаются, и из таких гаплоидных яиц развиваются самцы.

Водные растения – рекордсмены клонирования

Представители одного из семейств водных растений – водокрасовые (Hydrohariaceae) – считаются настоящими мастерами клонирования. Это семейство хорошо знакомо аквариумистам и любителям садовых водоемов. Водокрасовые в совершенстве освоили тот же способ размножения-клонирования, который практикует земляника.

Самый известный представитель водокрасовых – стрелолист обыкновенный (Sagittaria sagittifolia), житель умеренных рек и озер. Образуя горизонтальные побеги (усы), он быстро распространяется по дну водоема. Стрелолист формирует не только усы, но и клубни, несущие запас питательных веществ для потомков-клонов.

Слева – цветущее растение стрелолиста. Справа – ус стрелолиста с молодым растением-клоном (в круге)

Типичный представитель этого семейства – водокрас (Hydroharis) – также образует усы. Именно он покрывает прибрежные отмели мелкими листьями, напоминающими листья крошечных кувшинок. Эта кроха способна за лето затянуть поверхность небольшого пруда, распространяясь при помощи усов, которые случайно переносят на лапках водоплавающие птицы, помогая растению размножаться.

В семействе водокрасовых есть растение, которое благодаря непревзойденной способности к клонированию смогло завоевать целый континент. Это элодея канадская (Elodea canadensis), или как ее еще называют «водяная чума». В начале XIX века это растение, цепляясь за нижние части кораблей, «сбежало» из Северной Америки, пересекло Атлантический океан и попало в пресные водоемы Европы.

При помощи вегетативного размножения (клонирования) оно распространилось по всей Европе и уже является обычным растением в водоемах Сибири. Это яркий пример глобального природного эксперимента по клонированию.

Говоря о клонах и клонировании, невозможно обойти вниманием самый впечатляющий рекорд, установленный в царстве растений. Роща тополя осинообразного (Populus tremuloides) – знаменитый клон и единый живой организм

Анализ генома растений этой рощи показал, что все ее деревья имеют один и тот же генотип и являются вегетативными потомками одного растения. Площадь, занимаемая клоном, составляет 43 га, возраст рощи – 80 000 лет. Этому клону даже присвоено имя – Пандо (в переводе с лат. – «распространяющийся всюду»).

Клонирование генов.

Становится известно все больше специфических генов, связанных с развитием определенных болезней. Эти гены научились выделять из организма и присоединять к ним соответствующие промоторы, т.е. участки ДНК, управляющие их работой. Получаемые генные комплексы можно клонировать несколькими способами. Один из них – полимеразная цепная реакция (ПЦР), т.е. размножение нужного участка ДНК с помощью фермента полимеразы, что позволяет удваивать количество генных копий каждые несколько минут (см. также ПОЛИМЕРАЗНАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ). Клонированные таким образом гены можно затем ввести в организм животного (получив т.н. трансгенную особь), которое в результате приобретет способность синтезировать нужное вещество, например ценный фармацевтический продукт. Трансгенные животные служат также моделями для изучения ряда тяжелых болезней человека, в частности муковисцидоза.

Могут ли клонировать вымерших животных?

После фильма «Парк Юрского периода» многие надеются, что учёным удастся клонировать динозавра, но это навсегда останется фантастикой. Динозавры вымерли слишком давно, так что тканей с молекулами ДНК просто не осталось — одни окаменелые кости.

Более реальным представляется клонирование мамонтов и других животных ледникового периода, останки которых периодически находят в вечной мерзлоте. Однако на данный момент и это практически невозможно по нескольким причинам Mammoth Resurrection: 11 Hurdles to Bringing Back an Ice Age Beast :

Для клонирования нужно неповреждённое ядро с целой ДНК, а даже в самых хорошо сохранившихся останках генетический код разбит на множество частей. Учёным приходится собирать «буквы» генома, не зная точной последовательности и ориентируясь на ДНК ближайших родственников, так что нельзя предсказать, что получится в итоге.
Чтобы клонировать животное, нужна суррогатная мать. Ближайшими родственниками мамонтов являются азиатские слоны, поэтому донором яйцеклетки и суррогатной матерью для мамонтёнка может стать только самка этого животного. Процедура взятия яйцеклетки и её подсадки в матку будет очень сложна, но даже если всё пройдёт успешно, на свет родится не чистый вид, а гибрид мамонта и слона.
Учёные опасаются, что даже в случае успешного клонирования животным не хватит генетического разнообразия, чтобы создать новую популяцию.

Молекулярное клонирование

Молекулярное клонирование (англ. Molecular cloning, Gene cloning) — клонирование молекул ДНК (в том числе генов, фрагментов генов, совокупностей генов, ДНК-последовательностей, не содержащих гены), другими словами — наработка большого количества идентичных ДНК-молекул с использованием живых организмов.
Благодаря фундаментальным биологическим открытиям XIX—XX веков, а именно: открытию клеточного строения тканей, открытию структуры клеточного ядра, хромосом, ДНК, генов, — стало возможным то, что ныне носит название молекулярного клонирования. Это технология клонирования наименьших биологических объектов — молекул ДНК, их частей и даже отдельных генов. Для молекулярного клонирования ДНК (обычно тем или иным способом изменённую) вводят в вектор (например, бактериальную плазмиду или геном бактериофага). Размножаясь, бактерии и фаги многократно увеличивают количество введенной ДНК, в точности сохраняя её структуру. Чтобы затем выделить большое количество такой ДНК, необходимо отделить бактерии или фаги, которые её содержат, от всех остальных, для чего и применяют клонирование, то есть выделение и размножение бактериального или фагового клона, содержащего необходимые молекулы ДНК. Для облегчения селекции бактериальных клонов в плазмиды обычно вводят ген резистентности к антибиотику, чаще всего ампициллину, в присутствии которого погибают все бактерии, не имеющие клонируемой плазмиды. Такое клонирование необходимо для изучения биологических молекул, их идентификации, решения вопросов клонирования тканей и др.

Тема клонирования в культуре и искусстве

Во многих литературных произведениях, фильмах и компьютерных играх затрагиваются темы клонирования человека и животных.

Литература

Мы (роман) () — Е. И. Замятин
Геном (роман) () — Сергей Лукьяненко
Люди и слепки — З. Ю. Юрьев
О дивный новый мир () — О. Хаксли
Паломничество Ланселота — Юлия Вознесенская
Не отпускай меня — Кадзуо Исигуро
Сага о Форкосиганах — Лоис Буджолд
Девять жизней — Урсула Ле Гуин
Завтра война — Александр Зорич
Облачный Атлас — Дэвид Митчелл
Из воспоминаний Ийона Тихого III — Станислав Лем

Фильмы

Мальчики из Бразилии (1978)
Через тернии к звёздам (1980)
Парк Юрского периода (1993)
Судья Дредд (1995)
Чужой 4: Воскрешение (1997)
Звериные Войны — мультипликационный
Шестой день (2000)
Репликант (2001)
Точная копия (2004)
Динокрок (2004)
Остров (2005)
Эон Флакс (2005)
Футурама (мультипликационный)
Звёздные войны (1997—1999)
Трансформеры (2008—2009) — мультипликационный
Луна 2112 (2009)
Универсальный солдат 3: Возрождение (2010)
Клон (сериал) (2001)
Чрево (фильм) (2010)
Не отпускай меня (фильм) (2010)
Обитель зла 3 (2007)
Доктор Кто (1963-н.д.)
Закрытая школа (сериал)
Дети шпионов 4D (фильм) (2011)
Облачный атлас (2013)
Обливион (2013)
Последняя репродукция (2007)
Темное дитя (2013—2015)
Престиж (2006)

Клонирование на службе у садоводства

Можно сказать, что природа в какой-то степени превзошла человека в искусстве клонирования, и это явление вовсе не чуждо естественному ходу вещей. Человек давно взял на вооружение этот способ тиражирования копий интересных для него организмов, и в первую очередь – растений. Способов клонирования или, как его принято называть в отношении растений – вегетативного размножения, немало. Это черенкование, отделение усов (например, у земляники), отводки, прививки, разделение кустов.

В начале XX века наука подарила садоводству новый метод размножения – in vitro (ин витро), или культуру изолированных тканей и органов растений. Суть метода в том, что части органов или отдельные органы (обычно небольшого размера) растений стерилизуют и помещают в изолированные стерильные условия, где проходит их выращивание на искусственной питательной среде. В качестве изолированных условий обычно выступают герметично закрытые пробирки или иные прозрачные сосуды.

Контейнеры с клонированными растениями, готовые к продаже

Логичным будет вопрос: зачем помещать часть растения в изолированные стерильные условия? Ведь, например, оторванный листик сенполии – это отдельный орган и его можно запросто выращивать в стаканчике с водой.

Дело в том, что в 1920-х годах ученые-биологи подошли вплотную к необходимости ответить на вопрос: какова минимальная часть растения, способного вырасти в целый организм? Пытаясь выращивать отдельные органы и их части, взятые от разных растений, ученые столкнулись с существенным препятствием: чем меньше был изолированный фрагмент растения, тем большей опасности поражения бактериями и грибами он подвергался. Попытки культивировать стерильные фрагменты растений в изолированных условиях показали, что даже очень маленький кусочек растения, если он свободен от спор бактерий и грибов, может долго оставаться живым и даже расти!

Эксперимент позволил добиться регенерации из отдельных клеток целого растения, способного к цветению. Ведь чтобы из маленького кусочка, состоящего всего из нескольких сотен или десятков клеток, вырастить полноценный организм, в котором сотни тысяч клеток, требуется значительный объем питания и энергии.

Клонирование млекопитающих.

Выше уже приводились примеры разных типов клонирования в природе. Если любому зверю порезать кожу, клоны новых клеток быстро приходят на смену поврежденным. Однако клонирование целых высокоорганизованных организмов – процесс гораздо более сложный, чем заживление раны.

Зачем вообще клонировать животных? Во-первых, можно было бы воспроизводить ценные с той или иной точки зрения особи, например чемпионов пород крупного рогатого скота, овец, свиней, скаковых лошадей, собак и т.п. Во-вторых, превращение обычных животных в трансгенных сложно и дорого: клонирование позволило бы получать их копии. Проектируется производить трансгенных млекопитающих, способных синтезировать факторы свертывания человеческой крови и другие жизненно важные для нас продукты и выделять их в составе своего молока. Широкомасштабное развитие такой биотехнологии сэкономило бы огромные количества донорской крови, запасы которой ограничены и могли бы использоваться более эффективно.

Игра в Бога

Представители крупнейших религий выступают против клонирования человека. По их мнению, искусственно создавая жизнь, учёные пытаются переделать механизмы, которые, с точки зрения религии, созданы Богом.

Против экспериментов с клонированием человека выступал глава католической церкви папа Иоанн Павел II: «Путь, указанный Христом, — это путь уважения человека, и любые исследования должны иметь целью познание его в его истинности, чтобы потом служить ему, а не манипулировать им в соответствии с проектом, который иногда высокомерно считается лучшим, чем проект самого Создателя. Для христианина тайна бытия настолько глубока, что она неисчерпаема для человеческого познания».

Алексий II
РИА Новости

Бывший патриарх Московский и всея Руси Алексий II говорил: «Клонирование человека — аморальный, безумный акт, ведущий к разрушению человеческой личности, бросающей вызов своему Создателю».

Нынешний патриарх Московский и всея Руси Кирилл также категорично высказался против использования технологий клонирования, которые, по его словам, означают «вторжение в Божий замысел о человеке».

Далай-лама XIV имеет схожую точку зрения на эксперименты по генетическому воссозданию человека. «Что касается клонирования, то как научный эксперимент оно имеет смысл, если принесёт пользу конкретному человеку, но, если применять его сплошь и рядом, в этом нет ничего хорошего», — заявил духовный лидер тибетских буддистов.

Размножение растений и получение рассады.

У растений известны различные формы бесполого размножения, обычно называемого вегетативным. Самостоятельный организм может развиться у них из частей листьев, стеблей и корней. Если эти части получены от одного растения, то образуется клон. Для вегетативного размножения у многих видов используются специальные структуры, к которым относятся, например, подземные корневища у золотой розги, надземные столоны («усы») у земляники, луковицы у чеснока, клубни у картофеля и клубнелуковицы у гладиолусов. Таким способом размножают не только травянистые, но и многие древесно-кустарниковые виды. К относительно новым методам коммерческого клонирования некоторых растений относится выращивание их из культуры ткани.

Среди сельскохозяйственных культур вегетативно размножают, например, бананы, ананасы, виноград и землянику. Особый способ клонирования, называемый прививкой, применяют в случае плодовых деревьев, в частности пекана, яблони и персика. Черенки, вырезанные из ветвей ценного в хозяйственном отношении экземпляра (привои), приращивают к укорененным растениям (подвоям) того же вида, а иногда и другого – близкого таксономически. Привой нормально растет и приносит плоды, не уступающие по качеству тем, что развиваются на материнском дереве.

Могут ли клонировать человеческие ткани и органы?

В 2013 году учёным из Орегона под руководством Шухрата Миталипова (Shoukhrat Mitalipov) удалось Human Embryonic Stem Cells Derived by Somatic Cell Nuclear Transfer провести терапевтическое клонирование человека. Миталипов с коллегами взяли ядро соматической клетки ребёнка с редким генетическим заболеванием, поместили её в безъядерную яйцеклетку и вырастили бластоциту со стволовыми клетками.

В 2014 году методом терапевтического клонирования учёным удалось Human Somatic Cell Nuclear Transfer Using Adult Cells превратить клетки кожи мужчин 35 и 75 лет в стволовые клетки. В перспективе клетки‑предшественницы можно использовать для выращивания любой ткани и замены повреждённых участков и органов.

Однако у такого метода есть проблемы: стволовые и раковые клетки поразительно похожи Cloning . Некоторые исследования показывают, что после 60 циклов деления стволовые клетки могут накапливать мутации и приводить к возникновению рака.

✔Развитие клонирования в лаборатории

Ученые очень долго пытались клонировать животных, но многие из ранних попыток ни к чему не привели. Первые довольно успешные результаты были замечены, когда головастиков клонировали из эмбриональных клеток лягушки, с помощью процесса ядерного переноса. Созданные таким образом головастики не доживали до стадии зрелых лягушек, но тем не менее это был крупный научный прорыв.

После этого, используя процесс переноса ядер на эмбриональные клетки, ученым удалось произвести клоны млекопитающих. Первым успешным экземпляром клонирования животных стала знаменитая овечка Долли, которая не только выжила, но и смогла воспроизводить потомство естественным способом. Долли была создана Ианом Уилмутом и его командой в Институте Рослина в Эдинбурге, Шотландия, в 1997 году. В отличие от предыдущих опытов, она не была создана из развивающейся эмбриональной клетки, а из развитой клетки молочной железы, взятой у взрослой овцы.

С тех пор ученые добились успеха в создании множества других видов, таких как крысы, кошки, лошади, быки, свиньи и олени.

Этические последствия

В биоэтике этика клонирования относится к множеству этических позиций в отношении практики и возможностей клонирования , особенно клонирования человека. Хотя многие из этих взглядов имеют религиозное происхождение, вопросы, возникающие в связи с клонированием, сталкиваются и со светскими взглядами . Терапевтическое и репродуктивное клонирование человека не используются в коммерческих целях; в настоящее время животные клонируются в лабораториях и в животноводстве.

Защитники поддерживают развитие терапевтического клонирования с целью создания тканей и целых органов для лечения пациентов, которые иначе не могут получить трансплантаты, чтобы избежать необходимости в иммунодепрессивных препаратах и предотвратить эффекты старения. Сторонники репродуктивного клонирования считают, что родители, которые иначе не могут производить потомство, должны иметь доступ к этой технологии.

Противодействие терапевтическому клонированию в основном сосредоточено вокруг статуса эмбриональных стволовых клеток , что связано с дебатами об абортах .

Некоторые противники репродуктивного клонирования обеспокоены тем, что технологии еще недостаточно развиты, чтобы быть безопасными — например, позиция Американской ассоциации развития науки по состоянию на 2014 год, в то время как другие подчеркивают, что репродуктивное клонирование может быть подвержено злоупотреблениям (что приводит к поколение людей, чьи органы и ткани будут извлечены), и обеспокоены тем, как клонированные особи могут интегрироваться в семьи и общество в целом. Некоторые противники поднимут вопросы о том, есть ли у клонов права. «Будущее клонирования» вызывает серьезные вопросы относительно того, есть ли у эмбрионов какие-либо права или право на жизнь эмбриона отменяется волей донора.

Религиозные группы разделены: некоторые выступают против технологий, узурпирующих роль Бога в творении и, в той мере, в которой используются эмбрионы, разрушающих человеческую жизнь; другие поддерживают потенциальную пользу терапевтического клонирования для спасения жизни.

Особенности клонов и отличие от однояйцевых близнецов

Однояйцевые близнецы – первейшие генетические самоклоны в человеческом смысле. Они развиваются из одного и того же генетического материала. Но в какой-то момент, вместо одного эмбриона формируются из одной яйцеклетки и одного сперматозоида – два организма, три и более. Отличие «настоящих» клонов в том, что они развиваются не в одной материнской утробе, и могут быть выношены и рождены в разное время

Для их появления неважно жив прототип или давно умер, они независимы. Исходные данные клона – ДНК взрослой особи, живущей или давно умершей

Каждая клетка живого организма прямой наследник оплодотворенной первичной яйцеклетки. Она постоянно на протяжении всей жизни сохраняет слепок – отпечаток исходного ДНК. Но назвать результат деления абсолютно идентичным тоже нельзя. Деления клетки на протяжении существования накапливают мутации. Процесс напоминает возникновение спонтанных механических ошибок, как при длительном наборе цифр на калькуляторе во время подсчета вереницы чисел. Новая клетка по сравнению с исходником накапливает около 50 мутаций за каждое новое деления.

В процессе клонирования копируется только генотип ДНК, а не фенотип. Фенотип определяется набором индивидуальных особенностей на разных этапах развития организма. Генотип – наследственная основа.

Растения клонируют сами себя

Пример черенкования смородины может привести к мысли о том, что клонирование – явление не естественное, ведь это человек отделяет веточку и ставит ее в воду, а не само растение. Но давайте посмотрим, насколько клонирование распространено в природе. Многие примеры могут вас удивить своей неожиданностью.

Самый известный «любитель» клонирования – садовая земляника (Fragaria ananassa). Каждый год она образует несколько длинных побегов, называемых столонами (усами). На концах усов развиваются новые кустики – розетки, которые быстро укореняются.

До тех пор пока молодая розетка связана с материнской, она фактически является ее веткой, но это состояние временное. Молодая розетка становится самостоятельным растением на следующий год, когда ус, соединявший ее с материнской розеткой, отмирает. Так вполне естественно происходит клонирование в природе.

Слева – растение земляники садовой с усами и молодыми розетками-клонами (пример естественного клонирования). Справа – клонирование земляники в искусственных условиях

Может показаться, что клонирование не слишком распространено в природе и является исключением, а не правилом. Однако это всего лишь видимость: среди окружающей нас растительности можно обнаружить множество примеров естественного клонирования.

Сходным способом создания своих копий, которым пользуется земляника, обладают лапчатка гусиная (Potentilla anserina) и лютик ползучий (Ranunculus repens). Эти растения также образуют усы с розетками листьев на концах. Поселяясь на участках, сорняки могут серьезно докучать хозяевам сада из-за такого способа размножения.

Цветение лапчатки – сорняка с удивительным потенциалом клонирования, хорошо известного всем садоводам

Растения, которые охотно себя клонируют сами. Слева – тиарелла с длинным побегом-усом, который уже дал корни. Справа – всем известный комнатный хлорофитум с новым молодым растением на длинном цветоносе

Многие растения прибегают к другой, хотя и похожей тактике клонирования. Лесная черника (Vaccinium myrtillus) также является отличным специалистом по собственному клонированию. Все начинается с одного кустика, выросшего из семени. Он образует два типа побегов: вертикальные, несущие листья, и горизонтальные, подземные. Горизонтальные побеги, стелясь в толще лесной подстилки, радиально расходятся в разные стороны, ветвятся и формируют боковые побеги. Так образуются весьма внушительные по площади черничники.

Несколько лет все кусты черники остаются связанными друг с другом породившими их горизонтальными побегами. Со временем в центре расширяющегося «горизонтального куста» самые старые кустики отмирают. Такой черничник начинает напоминать так называемые «ведьмины кольца» – круги, образуемые грибами различных видов при разрастании грибницы.

С этого момента связь между кустиками черничника прерывается, и они становятся самостоятельными растениями. Так черника создает сразу множество своих копий, то есть клонирует себя.

Молодой кустик черники

Клонирование в мире животных

Не менее удивительно, что клонирование освоили и животные. Из школьного курса биологии многие помнят маленькое хищное животное – гидру (Hydra). Для нее клонирование вполне естественно: на боковой поверхности тела-стебелька образуется нарост в виде веточки, на конце которого впоследствии прорезается рот и вырастают щупальца. Через несколько дней молодая гидра отделяется от тела родительской и начинает самостоятельную жизнь.

Гидра обыкновенная с молодой гидрой-почкой – пример природного клонирования в мире животных

Клонирование освоили даже хордовые животные (хорда – предшественник позвоночника), то есть дальние родственники человека.

Таким способом могут размножаться асцидии (Ascidiacea). В возрасте личинки они похожи на маленькую рыбку-головастика. Через некоторое время личинка прикрепляется головной частью к камню и претерпевает изменения, в ходе которых на ее теле формируются новые особи – клоны родительского организма.

История термина

Термин клонирование пришёл в русский язык из английского (clone, cloning).

Первоначально слово клон (англ. cloning от др.-греч. κλών — «веточка, побег, отпрыск») стали употреблять для группы растений (например, фруктовых деревьев), полученных от одного растения-производителя вегетативным (не семенным) способом. Эти растения-потомки в точности повторяли качества своего прародителя и служили основанием для выведения нового сорта (в случае полезности их свойств для садоводства). Позже клоном стали называть не только всю такую группу, но и каждое отдельное растение в ней (кроме первого), а получение таких потомков — клонированием.

Со временем значение термина расширилось, и его стали употреблять при выращивании культур бактерий.

Успехи биологии показали, что и у растений, и у бактерий сходство потомков с организмом-производителем обусловливается генетической идентичностью всех членов клона. Тогда уже термин клонирование стали употреблять для обозначения производства любых линий организмов, идентичных данному и являющихся его потомками.

Позже название клонирование было перенесено и на саму технологию получения идентичных организмов, известную как замещение ядра, а потом также и на все организмы, полученные по такой технологии, от первых головастиков до овцы Долли.

И уже в конце 90-х годов XX века, подразумевая возможность применения той же технологии для получения генетически идентичных человеческих индивидов, заговорили и о клонировании человека. Термин перестал быть достоянием научной общественности, его подхватили СМИ, киноискусство, литература, производители компьютерных игр, и он вошёл в язык как общеупотребительное слово, уже не имеющее того специального значения, которым он обладал около ста лет назад.