Temat inżynierii genetycznej jest często widywany w mediach. Piszą o niej gazety, wypowiadają się politycy. Czy jednak na pewno wiesz "na czym to wszystko polega"?
Inżynieria genetyczna to inaczej ingerencja w materiał genetyczny organizmów, w celu zmiany ich właściwości dziedzicznych. Polega ona na wprowadzaniu do komórek organizmu, którego cechy chcemy zmienić (biorcy), określonego odcinka DNA innego organizmu (dawcy). Odpowiednie fragmenty DNA wycina się z komórek dawcy za pomocą enzymów restrykcyjnych. Następnie tak wydzielone fragmenty DNA wprowadza się do komórek biorcy za pomocą specjalnych przenośników (wektorów). W tej roli wykorzystywane są wirusy lub plazmidy. Wprowadzone do komórki biorcy wraz z przyłączonym fragmentem DNA dawcy umożliwiają namnażanie się w niej genów zawartych w tym DNA. Inżynieria genetyczna ma szerokie zastosowanie:
Hodowla zwierząt
W ostatnich latach duże nadzieje badawcze wiąże się z pracami hodowlanymi genetycznie zmienionych zwierząt. Pierwsza transgeniczna owca Dolly będąca klonem została wyhodowana w 1997 r. ,a wydzielane przez jej organizm mleko ma właściwosci lecznicze dla organizmu ludzkiego. Te szczególne cechy zwierzęcia osiągnieto przez wprowadzenie do jej genomu genu ludzkiego, kodującego czynnik IX, odpowiedzialny za powstawanie białka biorącego udział w procesie krzepnięcia krwi u ludzi chorych na hemofilię. Hodowla transgenicznych zwierząt zachęca do dalszych badań nad otrzymaniem genetycznie zmienionych dużych zwierząt z defektami genetycznymi naśladującymi ludzkie choroby. Prowadzone na dużą skalę prace badawcze na drobnych ssakach (myszy) nie dały spodziewanych rezultatów, aczkolwiek otrzymane wyniki posłużyły w prawdzie doskonaleniu technik hodowlanych, to jednak wielkość tych zwierząt, specyfika genów i okres życia nie mają bezpośredniego zastosowania dla organizmu ludzkiego. Uważa się więc, że owce, świnie, małpy i inne duże ssaki będą bardziej przydatne w badaniach biomedycznych.
Zwiększenie wydajności roślin i zwierząt
Badania nad poprawianiem metodami inżynierii genetycznej roślin i zwierząt mają na celu zapewnienie komfortu, wygody i zdrowia ludzi spożywających je. Przykładem może być: przedłużenie trwałości pomidora, czy "stworzenie" krowy z wysoko proteinowym mlekiem. Projekty te jednak mają wiele wad np.: pomidory miały zmieniony smak, a krowy chorowały na artretyzm i szybko zdechły.
Odradzanie lub zapobieganie wyginięciu niektórych gatunków zwierząt
Rozmnażanie lub odradzanie zwierząt metodą klonowania lub innymi sposobami inżynierii genetycznej wiąże się z dużym ryzykiem jest jednak także alternatywną metodą. Za kilka lat być może będziemy podziwiać olbrzymiego mamuta włochatego lub tury przechadzające się majestatycznie po polskich parkach narodowych.
U gatunków ginących możemy wykorzystywać sztuczne zapłodnienia i bezpośrednią opiekę nad młodym. Np. w przypadku pandy wielkiej bardzo trudno jest w naturalny sposób zasilić populację, ponieważ samica tego zwierzęcia przeżywa okres rui jedynie raz w roku.
Produkcja leków i szczepionek
To chyba największe zadanie inżynierii genetycznej. Ma ono na celu zapewnienie zdrowia zażywającym dany specyfik. Takie leki i szczepionki nie powodują skutków ubocznych. Jako przykład podam: insulinę podawaną chorym na cukrzycę, hormon wzrostu, czynnik krzepnięcia krwi; szczepionki wirusowe i bakteryjne.
Klonowanie
Technika klonowania polega na przeszczepieniu jądra dowolnej komórki organizmu do komórki jajowej innego organizmu tego samego gatunku. Umożliwia to pozaseksualne mnożenie osobników gatunku ludzkiego o identycznej informacji genetycznej, czego konsekwencją stać się może seryjna produkcja dowolnie planowanych sobowtórów, czyli osobników o identycznych uzdolnieniach fizycznych i duchowych. Jeżeli zatem będzie się dokonywać tego zabiegu na substancji genetycznej wybitnych jednostek, to ile razy uda się ten zanieg szczęśliwie przeprowadzić, otrzyma się w wyniku tylu takimi samymi właściwościami obdarzonych osobników. Technicznie możliwe stało się klonowanie nowych istot ludzkich w taki sam sposób, w jaki powstała owca Dolly. Techniki inżynierii genetycznej osiągnęły obecnie taki stopień zaawansowania, że każda z setek milionów komórek ludzkiego ciała może być wykorzystana do stworzenia nowej istoty ludzkiej. Jednakże, jak dowodzi tego przykład bliźniąt jednojajowych, klon człowieka nie byłby jego dokładną repliką. Byłaby to osoba o identycznych genach, różniąca się jednak charakterem czy inteligencją od pierwowzoru. Techniki te mogą być zastosowane w przypadkach par niepłodnych, czyli takich, które w sposób naturalny nie mogą mieć dzieci.
Medycyna i farmacja
Geny pochodzenia zwierzęcego czy roślinnego mogą w komórkach bakterii lub innych organizmów podlegać ekspresji i produkować w znacznych ilościach różnego rodzaju białka enzymatyczne i hormony, co stwarza możliwosci produkcji i jest obecnie wykorzystywane przez liczne firmy w przemyśle chemicznym lub farmaceutycznym. Wykorzystuje się ją obecnie w medycynie : zarówno w diagnostyce jak i profilaktyce czy nawet terapii. Przemysł farmaceutyczny skorzystał dzięki stworzeniu szeregu leków dzięki technikom rekombinowanego DNA. Coraz śmielej współczesna biotechnologia próbuje ingerować w naturę. Prawdopodobnie niedługo powszechna stanie się transgenizacja zwierząt i roślin , być może także ich klonowanie. Perspektywy zastosowań są niezmiernie szerokie. Jak każda rewolucyjna idea wywołuje szereg kontrowersji ale i nadziei.
ZASADY TECHNICZNE INŻYNIERII GENETYCZNEJ
• wbudowanie poszukiwanego genu do plazmidu - plazmid posiada 2 geny oporności na antybiotyki a i b. W obrębie genu a znajduje się sekwencja nukleotydowa DNA (s) rozpoznawana i przecinana przez restryktazę. DNA -b- badany, który chcemy zrekombinować z DNA plazmidu, i na którym znajduje się gen x kodujący interesujące białko X.
1 - DNA plazmidu i DNA - b poddajemy działaniu restryktazy DNA plazmidu zostaje przecięte w jednym miejscu, w obrębie genu a DNA - b cięte jest na wiele odcinków, z których jeden może zawierać poszukiwany przez nas gen X.
Przy cięciu DNA przez restryktazę powstają odcinki DNA wyposażone w "lepkie końce". Następnie mieszamy rozcięte DNA plazmidowe z odcinkami DNA (b).
DNA plazmidowe dzięki "lepkim końcom" może się z powrotem zamknąć w strukturę kolistą, a odtwarzając pierwotny plazmid. DNA plazmidowe może jednak dzięki tym samym "lepkim końcom" połączyć się z odcinkiem DNA - b i zamknąć nową strukturę kolistą, składającą się z DNA plazmidowego i ze wstawionego odcinka DNA b. Powstanie plazmid przekonstruowany.
DNA plazmidowe wprowadzamy do bakterii komórki, do których nie wniknie DNA plazmidowe, będą wrażliwe na obce antybiotyki a i b. Komórki, które pobiorą oryginalny, pierwotny plazmid, będą oporne na oba antybiotyki. Komórki, do jakich uda się nam wprowadzić plazmid przekonstruowany, zawierający DNA-b, będą oporne na antybiotyki b, a wrażliwe na a, gdyż jeden gen oporności "a" został unieczynniony przez wstawienie odcinka obcego DNA. Wśród takich bakterii opornych tylko na antybiotyk b, któraś może zawierać odcinek DNA - b z genem X i produkować białko X.
Tę metodę nazywamy "strzelaniem na ślepo", gdyż o otrzymaniu klonu bakterii zawierającego gen X decyduje przypadek.
• izolacja DNA genu X - izolujemy mRNA kodujący białko X, mieszamy je ze zdenaturowanym DNA - b RNA wiąże się tylko z komplementarnym doń genem X. Nie złączone z mRNA jednoniciowe DNA rozkładamy za pomocą specjalnego enzymu nukleazy S, (działa tylko na pojedyncze nici DNA). Nie rozłożone pozostaje jedynie DNA genu X, chronione przez związane z nim mRNA. mRNA usuwamy innym enzymem, DNA genu X replikujemy. Wykorzystując jeszcze jeden enzym doczepiamy do odcinków DNA - b genu X wolne końce zbudowane z samych adenin; z przeciętego DNA plazmidowego usuwamy "lepkie końce" i doczepiamy dalej za pomocą enzymu. Mieszany DNA plazmidowe i DNA genu X i dalej postępujemy jak poprzednio.
Stosując metody inżynierii genetycznej można ciąć DNA różnych organizmów, wstawić je do naturalnych lub sztucznych plazmidów i wraz z nimi wprowadzać je przede wszystkim do komórek bakteryjnych.
Dążeniem inżynierii genetycznej jest wykorzystanie genów jednego organizmu, w drugim dzięki przenoszeniu obcego DNA oraz izolacji DNA określonego genu.
Często stosowaną rnetodą jest "strzelanie na ślepo", w metodzie tej izolujemy z interesującego nas organizmu DIVA, a następnie tniemy go na liczne odcinki za pomocą restryktazy za pomocą tej samej restryktazy tniemy DNA plazmidu - wektora.
Dobieramy przy tym taki plazmid, by dany enzym ciął DNA plazmidowe tylko w jednym miejscu w obrębie genu nadającemu bakterii oporność na antybiotyk. DNA plazmidowe normalne będące kolisto zamkniętą helisą przekształca się w łańcuch otwarty DNA.
Lepkie końce - zakończenia DNA wynikają ze szczególnej symetrii, jaka występuje w obrębie sekwencji wewnątrz DNA, gdyż działają restryktazy.
Lepkie końce odnajdują się i łączą się dzięki temu, że są komplementarne. Pocięte DNA interesującego nas organizmu zwierzęcego mieszamy z przekształconymi w otwartą strukturę DNA plazmidowym.
Odcinki DNA zwierzęcego i rozcięte DNA plazmidowe zaopatrzone są w lepkie końce - dzięki komplementarności (odcinek DNA zwierzęcego może połączyć się z DNA plazmidu).
W wyniku powstanie pewna liczba jakby nowych cząsteczek DNA plazmidowego, zamkniętych kolisto i zawierających, poza właściwym DNA plazmidu wstawiamy odcinek DNA zwierzęcego. Wstawiony odcinek DNA zwierzęcego jest dobierany losowo- inaczej mówiąc może to być dowolny z wielu wybranych odcinków, na jakie DNA zwierzęce zostało pocięte przez restryktazę. Na nielicznych spośród tych odcinków może znajdować się poszukiwany przez nas gen. Takie zrekonstruowane plazmidy wprowadzamy kwas drogą transfromacji do komórek bakteryjnych. Jeżeli plazmid stosowany jako wektor jest nosicielem 2 różnych genów nadających bakteriom oporność na 2 różne antybiotyki, a jeden z tych genów pozostaje nie uszkodzony przy działaniu restryktazy na DNA plazmidowe możemy się przekonać, czy udało się nam wprowadzić plazmid do bakterii. Bakterie do których wprowadzony jest plazmid staną się oporne na 1 z 2 antybiotyków. O tym, czy wprowadzony plazmid jest oryginalnym pierwotnym plazmidem, czy też zrekonstruowanym, zawierającym odcinek DNA zwierzęcego można się przekonać badając wrażliwość bakterii na drugi antybiotyk. Dobrano taki plazmid, by mniejsze cięcie przez enzym restrukcyjny znajdowało się w obrębie genu nadającego bakteriom oporność na ten drugi antybiotyk. Jeżeli bakteria po wprowadzeniu plazmidu staje się oporna na pierwszy antybiotyk a pozostaje wrażliwa na drugi, można wnioskować, że wniknął do niej plazmid z wstawionym odcinkiem obcego DNA. Plazmid oryginalny nada bakterii oporność na oba antybiotyki. Aby przekonać się czy udało się wprowadzić ze zrekonstruowanym plazmidem do bakterii interesujący gen należy stwierdzić czy bakteria wytwarza swoiste białko kodowane przez ów gen. Należy sprawdzić, czy gen pochodzący z innego organizmu ulega w bakterii ekspresji. Najprostszym zabiegiem jest przekształcanie odcinków DNA sąsiadujących z samym genem. Do genu, który koduje białko można doczepić promotor lub operator wycięte z operonu bakteryjnego. Powstająca w ten sposób struktura zachowuje się jak gen bakteryjny-czyli zachodzi jego ekspresja jak w przypadku innych genów bakteryjnych. Drugim warunkiem sprawdzenia, czy bakteria zawiera obcy gen jest "zmuszanie" jej do wytwarzania dużych ilości produktu tego genu. Można to osiągnąć przez zwiększenie kopii tego genu, czyli w jednej komórce bakterii jest paręset komórek i danego plazmidu.
Jeżeli będzie to plazmid zrekonstruowany z wstawionym obcym genem obcy gen będzie występował w komórce bakteyjnej w tak samo dużej ilości kopii.
Ostatnim etapem jest izolowanie z hodowli bakteryjnej białka kodowanego przez obcy gen zawarty w plazmidzie i z kolei identyfikacje tego białka przez zbadanie jego aktywności biologicznej i właściwości. (izolowanie genu)
Inne metody polegają na izolowaniu mRNA a następnie mieszanie go z całością zdenaturowanego jednoczęściowego DNA, czyli dzięki komplementarności tworzy się połączenie mRNA i DNA następnie pod wpływem specyficznych enzymów rozkłada się DNA poza tymi odcinkami, które będą połączone z mRNA, a więc poza genami, które nas interesują. Jednoczęściowy DNA będący poszukiwanym przez nas genem replikuje się i otrzymuje się x helix DNA pożądanego genu. Można doczepić do niego także "lepkie końce" i postępować tak jak w metodzie "strzelania na ślepo". W tym wypadku zrekonstruowany plazmid będzie zawierał poszukiwany przez nas gen. Inny sposób wykorzystania wyizolowanego swoistego mRNA opiera się na klasyfikacji wirusa tzn. istnieją oprócz wirusów z DNA wirusy z RNA wytwarzające bardzo swoisty enzym. Jest to enzym katalizujący odwrotną transkrypcję, czyli enzym replikujący DNA na RNA - enzym odwrotna transkryptaza. Dysponując czystym wyizolowanym mRNA oraz odwrotną transkryptazą można na mRNA zreplikować odcinek DNA komplementarny do niego. Będzie on identyczny z genem, z którego pochodzi mRNA. W rezultacie otrzymujemy pojedynczą nić DNA poszukiwanego genu. Dalej postępujemy jak poprzednio. W inżynierii genetycznej wykorzystuje się znajomość struktury DNA i kodu genetycznego. Wiele odcinków DNA ma określone sekwencje, czyli znana jest sekwencja nukieotydowa genu. O sekwencji nukleotydów genu można wnioskować na podstawie kolejności ułożenia aminokwasów w białku. Obecnie opracowano metody syntezy DNA bez udziału organizmów innych np. otrzymano insulinę złożoną z 51 aminokwasów, lub niektóre neurohormony zbudowane z kilku aminokwasów. Zastosowanie inżynierii genetycznej pozwala na otrzymanie nowych odmian bakterii mających określone pożądane cechy lub dzięki inżynierii genetycznej istniejów zżliwość wprowadzenia gen? ţwierzęcych do bakterii w celu otrzymania odmian bakterii tworzących białka zwierzęce, co ma zastosowanie w szybszej i tańszej produkcji białek. Głównym obiektem badań inżynierii genetycznej są bakterie. Wprowadzanie obcego DNA do komórek organizmów wyższych jest bowiem trudne. Można obecnie wyizolować z organizmu i hodować komórki i tkanki zwierzęce, do których następnie wprowadza się obcy DNA. Badania dotyczą transformowania zygot lub gamet zwierzęcych np. myszy. ten sposób wprowadzono do organizmu myszy nowe geny. (np. geny królika)
Transformacja komórek roślinnych jest trudniejsza ze względu na ścianę celulozową.
Zabiegi polegające na całych komórkach lub jądrach komórkowych nazwano inżynierią komórkową np. połączono komórki pochodzące z różnych gatunków zwierząt - technika komórek mieszańcowych pozwoliła na uzyskanie jednorodnych przeciwciał - zwanych monoklonowymi. Technika ta ma duże znaczenie praktyczne, gdyż otrzymując przeciwciała w sposób zwykły z krwi zwierzęcia uodpornionego uzyskuje się mieszaninę różnych przeciwciał, natomiast komórki mieszańcowe tworzą wyłącznie 1 rodzaj przeciwciał.
Ostatnią techniką szeroko obecnie stosowaną jest klonowanie. Klonem nazywamy potomstwo jednego osobnika mnożącego się bezpłciowo, a zatem genetycznie identycznego w stosunku do siebie jak i do organizmu macierzystego. Klonowanie oznacza metodę otrzymywania klonów, a więc zbioru osobników identycznych genetycznie i z organizmów rozmnażających się wyłącznie płciowo. Np. z zapłodnionego jaja żaby usunięto jądro zygoty na jego miejsce wprowadzono jądro pobrane z komórki nabłonka jelitowego innej żaby. Okazało się, że "zmienione jajo" rozwijało się normalnie powstała dorosła żaba. Jajo, z którego ta żaba wyrosła miało jądro diploidalne zawierające geny identyczne z genami żaby, z tkanki, której pobrano jądro. Otrzymano żabę pod względem genetycznym identyczną z żabą, od której pochodziło jądro wprowadzone sztucznie do jaja. W ten sposób można otrzymać klony zupełnie identycznych osobników stąd pochodzi termin klonowanie.
Nie udało się do tej pory klonować ssaków, jednak otrzymano np.: homozygotyczne myszy tzn. mające na homologicznych chromosomach identyczne geny ułożone identycznie.
Obecnie można otrzymać z hodowli tkankowej komórek roślinnych homozygotyczne rośliny. Łącząc komórki roślinne można otrzymać komórki mieszańcowe.
Z hodowli takich komórek można otrzymać całą nową roślinę, czyli z hodowli komórek mieszańcowych można otrzymać całe mieszańce roślinne, co ma znaczenie praktyczne.
W ostatnim czasie opracowano metodę otrzymywania tzw. fenokopii mutacji.
Fenokopiami mutacji nazywamy osobniki, w których ujawniają się cechy charakterystyczne dla danej mutacji, jednak bez zmodyfikowania materiału genetycznego. Prawdziwe fenokopie otrzymane zostały przez Jacoba przez zablokowanie translacji określonego genu, otrzymane fenokopie były raczej przypadkowe. Badania inżynierii genetycznej pozwoliły również na lepsze poznanie problemu nowotworów.
PODSUMOWANIE
Uważam, że pomimo wad i zalet inżynierii genetycznej warto zainwestować w ten zespół technik badawczych, które mogą wyjaśnić wiele zagadek dotyczących naszego zdrowia, a nawet życia. Największą wartością człowieka jest zdrowie czasami tak niedoceniane przez zdrowych ludzi, natomiast nieosiągalne dla ludzi chorych nieuleczalnie. Myślę, że rozwój tej dziedziny byłby jakimś światełkiem w tunelu, które zaświeciłoby właśnie dla nich. Ludzkość, która przyjdzie po nas oceni czy był to dobry krok w dobrym kierunku.
Bibliografia:
· Wikipedia.pl
· Multimedialny przewodnik po Biologii
· „Biologia dla Szkół Wyższych i Techników”, cz. II