RAKENDUSBIOLOOGIAI Raku- ja embrüonaaltehnoloogia

Koostas Kersti Veskimets

Fundamentaalteadused ja rakendusteadused

Fundamentaalteadused püüavad välja selgitada loodusseadusi.

Rakendusteadused otsivad avastatud loodusseadustele kasutamisvõimalusi.

Tooge näiteid, kus sellest kasu saab?

Bioloogias on samuti…

fundamentaalteadused … ja rakendusteadused… BIOTEHNOLOOGIA – rakendusbioloogia

valdkond, kus kasutatakse organisme, et toota inimesele vajalikke aineid.

Peamiselt bakterid, seened, GM-loomad ja GM-taimed.

Biotehnoloogia eelised:

Säästab energiat Vähem ja kahjutud jäätmed Odav tooraineja puudused: Ajakulu vastavate organismide leidmiseks,

kasvatamiseks. Tundlikkus keskkonnategurite suhtes.

Noored “biotehnoloogid” TTÜ Loodusteadustemaja õppelaboris

Autori fotod

Mida toodetakse biotehnoloogiliselt?

1.Toiduainetetööstuses juba sajandeid tehakse: juustu, kohupiima, jogurtit jt.

piimatooted.

Köögiviljade hapendamine (kurk, kapsas, seened)

Pärmitaigen – leib, sai, jne.

Autori foto

Õlle ja veini tootmisel

Uuemad tehnoloogiadToidu omaduste parandamine

Seentest saadud ensüümid kalgendavad piima juustu tootmisel, parandavad leiva ja õlle omadusi.

Pintselhalliku abil toodetakse hallitusjuustu ja salaamit.

Tärklisest siirupi tootmisel kasutatakse bakterite ja hallitusseente amülaasi

Funktsionaalne toit

… toidule on lisatud midagi, et see parandaks inimese tervist.

Biokeefir, biojogurt – lisatud probiootilisi baktereid, parandavad seedimist, immuunsüsteemi.

“Hellus” sisaldab Eestis patenteeritud Lactobacillusfermentum ME-3, hävitab düsenteeria, salmonelloosi ja ateroskleroosi Lactobacillus GG (välja- töötatud Soomes) on resistentne antibiootikumidele.

Probiootikumid - inimese soolest isoleeritud kasulikud bakterid

Kuna inimese seedetraktis on piimhappebakterid (laktobatsillid ja bifidobakterid) väga kasulikud, siis soovitatakse tarvitada toiduks nende abil kääritatud piimatooteid, näiteks:

Actimel sisaldab Lactobacillus casei baktereid, Activia sisaldab bifidobaktereid – kääritavad rinnapiima liitsuhkruidGefiluse tooted sisaldavad bakterit Lactobacillus rhamnosus GG. Need bakterid pärsivad kahjulike bakterite paljunemist sooles, aitavad kaasa kaltsiumi omastamisele toidust, sünteesivad vitamiine jne

2. Meditsiinis kasutatakse biotehnoloogiat ka juba terve sajandi

Antibiootikumid seentest ja bakteritest (penitsilliin ja tetratsükliin)

A. Fleming avastas penitsilliini 1929.a Tänapäeval ligi 250 kasutusel.Alkaloidid, mida kasutatakse Parkinsoni tõve ja migreeni raviks.

3. Põllumajanduses• Silo valmistamisel• Mügarbakterid küntakse mulda – N-väetis!• Komposteerimise kiirendajad• Biotõrje (taimekaitsevahendid) – - seentest saadud ensüümid (mürgid) peletavad

putukaid ja seenhaigusi. - feromoonidega meelitatakse kahjurid lõksu - bakteritoksiin (Bt-toksiin, saadud Bacillus

thuringiensis-est on parim) tapab putuka vastseid selektiivselt ja inimesele mõju ei avalda.

Silotorn - kariloomade "hapukapsa" tünn

• http://www.oldergrupp.ee/index.php/page,ValgeristikRETORhttp://www.google.ee/imgres?imgurl=http://www.luontoportti.com/suomi/images/6271.jpg

Miks liblikõielised rikastavad mulda lämmastikuga?

4. TööstusesBioplast – laguneb looduses kiiremini. Biogaas – prügimägede lagundamine bakterite abil Bakterid puhastavad reovett, tekib aktiivmuda

Bakterid lagundavad prügimäed ka alkoholiksBakterid abistavad metallide kättesaamisel maardlates

(üle 40 tehase)Pesuvahendites - ensüümid saadakse bakteritest ja

seentest."Intelligentsed" pesupulbridlagundavad lipiide, valke,polüsahhariide jne.

Põhja-Soomes Talvivaaras:

2012 plaan:• 50 000T niklit• 90 000T tsinki• vaske• koobaltit• uraani Graniitne maak jahvatatakse, kuhjatakse, torudega

õhustatakse, pritsitakse bakterite lahusega.Lahus pumbtakse kokku reaktorisse ja metallid esimesena Ni

sadestatakse sulfiididena.Järjekorras sadestatakse välja järgmised.Külm segab ainult alla -20 kraadi.

RAKU- JA EMBRÜOTEHNOLOOGIA

Kloonimine on geneetiliselt identsete järglaste saamine.

Ka taimede vegetatiivne paljunemine on kloonimine.

Meristeempaljundus on uuem meetod:Meristeemrakud on diferentseerumata ja

paljunemisvõimelised.Nad on totipotentsed – “kõikvõimelised”.

Kasvukuhikust võetakse mõned meristeemrakud, pannakse söötmesse (steriilselt).

Ühest meristeemist võib saada sadu võrseid.Saadakse viirusvabasid taimi:kartul, maasikas, nelk, krüsanteem.

http://oregonstate.edu/potatoes/CSS322WebNotes.html

Hübridoomitehnoloogia ja monoklonaalsed antikehad

• Teatud antigeen viiakse hiiresse.• Hiires tekivad vastavaid antikehi tootvad

B-lümfotsüüdid.• B-lümfotsüüdid viiakse kokku kasvajarak-

kudega – need on hübridoomid.• Selektiivsöötmel jäävad ellu ja paljunevad

ainult hübridoomid.• Nüüd on puhaskultuur ühte tüüpi antikehi

tootvatest, hästi paljunevatest rakkudest.

Antigeen

Antikehasid tootvad B-lümfotsüüdid

Kasvajarakudpaljunevad hästi

Monoklonaalsed antikehad

Rakud ühen-datakse

Monoklonaalsete antikehade tootmine

topics/immuneSystem/frontiersImages.htm

Monoklonaalseid antikehi kasutatakse:1. Antigeenide määramiseks st. saab avastada

haigust2. Teatud valkude puhtaks eraldamiseks3. Rasedustestis. Testjoon värvub ainult siis, kui

proov sisaldab kooriongonadotropiini.

http://thejenniferblog.files.wordpress.com/2008/01/pregnancy_test.jpg

Embrüosiirdamine ja viljastamine in vitroSuperovulatsioonil küpseb lehmal palju

munarakke. Pärast viljastamist pestakse embrüod välja.Nende hulgast valitakseparimad ja viiakse surrogaatemadesse.

Kas sündivad vasikad on geneetiliselt identsed? Miks?

Katseklaasi (in vitro) viljastamise meetod 1970.a

Miks tehakse?Heade omadustega loomaltsaab palju järglasi.Embrüod säilivad sügav-külmutatult, saab transportida.

http://www.google.ee/imgres?imgurl=http://img.dailymail.co.uk/i/pix/2007/12_01/tigerpigsDM3011c_800x425.jpg

Autori foto

Embrüosiirdamine inimeselEsimene laps sündis Inglismaal 1978.a.,Eestis 1993.a.Nüüd on neid üle 2 miljoni.Lastetuid abielupaare on Eestis 10 – 20%.In vitro viibib embrüo ainult 2-5 päeva.Munarakud võetakse otse munasarjast

nõelpipetiga. Asendusema ei ole Eestis lubatud.Kas olete poolt või vastu?

Imetajate kloonimine1. Embrüonaalkloonimine:Varase embrüo rakud (2 - 16 rakku) on

totipotentsed, need eraldatakse üksteisest ja viiakse mitmetesse emasloomadesse.Igast rakust saab areneda tervikorganism.

Embrüonaalkloonimine

Embrüonaalkloonid

Kas embrüonaalkloonid on identsed geneetiliselt ja fenotüübilt? Põhjenda!

2. Tuumkloonimine

s.t. keharaku tuuma viimisel munarakku on saadud uus organism.

1997.a. saadi esimene tuumkloonitud lammas Dolly.

Katse näitas, et imetajate tuumas on kogu organismi arenguks vajalik aktiivne geneetiline info olemas.

Kas Dollyl on ainult tuumadoonori geenid?

http://www.millerandlevine.com/cloning/dolly-fig-13-13.jpg

Udararakust võeti tuum

Munaraku tuum eemaldati

Rakud liideti elektri-impulsiga

Rakk jagunes nagu embrüo

Embrüo siirdati kolmandale lambaleSündis

kloon – Dolly

Dolly Suurmeister piimaannis koos oma klooniga

http://www.emagazine.com/images/upload/1171566901Dolly_.jpg

http://www.cyagra.com/gallery/images/Jewel%20plus%20clone-web.jpg

Kloonitud on hiiri, küülikuid, kasse, lambaid, kitsi, sigu, muulasid, veiseid, hobuseid jne.

Pole suudetud kloonida ahve, konni.Tegelikult enamus katsetustest ei õnnestu: nt. hobune saadi 328 katsetuse tulemusel.Kloonide eluiga on normaalsest lühem. Miks?Tegelikult ei ole ka tuumkloonid väljanägemiselt

ja omadustelt identsed.Ka ühemunakaksikute sõrmejäljed on erinevad.Miks?

Esimene kloonitud hobune. Tema emaks on tema õde.

http://www.wired.com/news/images/full/horse_clone_f.jpg

http://www.mun.ca/biology/scarr/Cloned_Cat.html

Kloonitud kassi värvus ei ole sama

Miks kloonida?:

1. Transgeensete organismide saamiseks2. Mudelhiired luuakse, et leida ravimeid

inimese haigustele.3. Hävimisohus olevate liikide säilitamiseks:

võetakse hävimisohus looma tüvirakust tuum ja viiakse see lähedase liigi munarakku. Munarakk siirdatakse tagasi looma emakasse. Sünnib hävimisohus liigi esindaja.

Gajaal (koduloom) ja Gaur - hävimisohus

http://www.vecherniy.kharkov.ua/userfiles/image/2007/08/22/gayal.jpg

http://www.ens-newswire.com/ens/pics13/gaur.jpg

Inimese kloonimine?Miks ebaeetiline?Põhjenda, kas Neeme Järvi, Lennart Meri, Arvo

Pärdi kloonid oleksid samade omadustega?

http://www.google.ee/imgres?imgurl=http://uudised.err.ee/failid/216287_01.jpg http://www.google.ee/imgres?imgurl=http://www.jarva.ee/public/files/small_h283/arvo_part.jpg

http://www.google.ee/imgres?imgurl=http://www.jarva.ee/public/files/small_h283/arvo_part.jpg

Kui kloonimisel saadakse tervikorganism, siis on see reproduktiivne kloonimine.

Terapeutilisel kloonimisel tehakse embrüo in vitro ja kasutatakse selle rakke

raviotstarbel.Selline kloonimine legaliseeriti Suurbritannias

2001.a, siis Holland, Hispaania. EL-s käivad vaidlused...Inimese raku tuum viiakse lehma rakku...

munarakk keharakk

Keharaku tuum viiakse

munarakku

Embrüo areng blastotsüsti staadiumini

tuum eemladatakse

tuum eemladatakse

TERAPEUTILINE KLOONIMINETerapeutiline kloonimine

Embrüo tüvirakud kasvatatakse teatud koe rakkudeks

Tüvirakud ja rakuteraapiaSelgroogsete tüvirakud on diferentseerumata

või vähediferentseerunud rakud.Rakuteraapia – tüvirakke kasutatakse

kahjustunud kudede taastamisel.Parimad on sügoodi esimestel jagunemistel

tekkinud rakud (moorula) – totipotentsed.Embrüoplasti rakud võivad ainete toimel

areneda igaks koeks:

Nabaväädivere tüvirakud saavad ka areneda erinevateks kudedeks (külmutatakse)

http://biomedicum.ut.ee/armpgb/1kursus/Ani_a1.swf

http://www.google.ee/imgres?imgurl=http://www.amyshah.com/wp-content/uploads/2007/04/pluripotent-stem-cells.jp

Pluripotentsed tüvirakud

Embrüoplast

Blastotsüst ehk põisloode

In vitro viljastatud munarakk

Kobarloode ehk moorula

Differentseerumatatüvirakukultuur

NärvikudeSüdamelihaskude

Vererakud

Totipotentsedembrüoplastist

Täiskasvanu tüvirakud:Ammu on tuntud vereloometüvirakud.Viimased uurimused näitavad, et kõikides

kudedes on omad tüvirakud, ka närvikoes.Mida aktiivsem inimene, seda enam neuronid

paljunevad!Näiteks: rasvkoest on saadud tüvirakke, mis muudeti luu-, kõhre-, rasva-, ja lihasrakkudeks.Peagi saab juba ükskõik millise keharaku

suunata teatud ainetega arenema ükskõik millises suunas.

Sea rakkudega saab ka inimesi ravida!

Kunstlik nahk on loodud 2006.a.

Nabaväädivere tüvirakkude abil on inimesi terveks ravitud.

Püütakse kasvatada terveid orga-neid: südant, rinda, kõrva jne.

Esimene kunstlikult kasvatatud põison loodud ja edukalt inimesele siirdatud.Edukalt kasvatatakse luid.

14-aastasele poisile siirdati põsesarnaluud, mis olid kunstlikult kasvatatud:

Spermatogoonid on muudetud pluripotentseteks rakkudeks!

http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=stem-cells-bone-growth http://www.thehealthage.com/hysterectomies-a-source-of-stem-cells/0622

Anatoomilise ehitusega luukoe kasvatamine (A–C) Scaffold preparation. (A and B)

Clinical CT images were used to obtain high-resolution digital data for the reconstruction of exact geometry of human TMJ condyles. (C) These data were incorporated into MasterCAM software to machine TMJ-shaped scaffolds from fully decellularized trabecular bone. (D) A photograph illustrating the complex geometry of the final scaffolds that appear markedly different in each projection. (E) The scaffolds were seeded in stirred suspension of hMSCs, to 3 million cells per scaffold (≈1-cm3 volume) and precultured statically for 1 week to allow cell attachment, and then the perfusion was applied for an additional 4 weeks. (F) A photograph of perfusion bioreactor used to cultivate anatomically shaped grafts in vitro. (G–I) Key steps in bioreactor assembly  

http://3.bp.blogspot.com/_IdE-xwjB1Kc/S7oyJSdRceI/AAAAAAAAGRY/StgBkWGuNrg/s1600/F1.medium.gif

http://healthmad.com/health/spare-body-parts-growing-human-organs-in-the-lab/

Potentsiaalsed võimalused tüvirakkude kasutamiseks