Biologia szkoła ponadgimnazjalna/Inżynieria genetyczna

Inżynieria genetyczna

Zagadnienie z podstawy programowej

„uczeń: wyjaśnia, czym zajmuje się inżynieria genetyczna, oraz podaje przykłady jej zastosowania; wyjaśnia, co to jest „organizm genetycznie zmodyfikowany (GMO)” i „produkt GMO”; ”

Co to jest inżynieria genetyczna

Herbert Boyer stworzył pierwsza firmę biotechnologiczną wykorzystującą modyfikowane genetycznie bakterie

Kod genetyczny jest uniwersalny, co oznacza, że informacje zapisane są w genach różnych gatunków i grup organizmów w taki sam sposób. W DNA występują te same rodzaje nukleotydów, a kodony odpowiadają takim samym aminokwasom. Wiedza ta pozwala przypuszczać, że gen (odcinek DNA) pobrany z jednego organizmu może być wykorzystany jako informacja genetyczna przez komórki innego organizmu. Po raz pierwszy udowodnili to amerykańscy biolodzy Stanley Cohen i Herbert Boyer w roku 1973. Naukowcy ci otrzymali pierwszy organizm modyfikowany genetycznie. Była to bakteria występująca powszechnie w jelicie grubym człowieka – pałeczka okrężnicy (Escherichia coli). Do jej genomu został dodany gen odpowiedzialny za odporność na antybiotyk. Naukowcy powtórzyli doświadczenie z przenoszeniem genów pomiędzy bakteriami wielokrotnie, jednak uwagę świata nauki przyciągnęli dopiero, gdy przenieśli gen z żaby szponiastej (Xenopus laevis) do komórki bakterii. Gen odpowiedzialny za kodowanie rybosomalnego RNA ulegał ujawnieniu w komórce bakteryjnej i był przenoszony do kolejnych pokoleń. Możliwość przenoszenia genów między organizmami może być bardzo łatwo wykorzystana przez człowieka. Już w 1976 roku prywatny przedsiębiorca razem z Herbertem Boyerem stworzył firmę, której celem było stworzenie nowych sposobów leczenia. Rok później E. coli był już wykorzystywana do produkcji somatostatyny – hormonu hamującego wydzielanie hormonu wzrostu. W 1978 roku do genomu bakterii został włączony gen, odpowiedzialny za wytwarzanie ludzkiej insuliny, stosowanej powszechnie w leczeniu cukrzycy. W ten sposób rozpoczął się rozwój nowej dziedziny techniki nazwanej inżynierią genetyczną.

Uważa się, że terminu tego po raz pierwszy użył duński mikrobiolog A. Jost w roku 1941 podczas wykładu na temat rozmnażania drożdży wygłaszanego w Polsce.

Organizmy modyfikowane genetycznie

Byk Herman był pierwszym przedstawicielem bydła domowego z dodatkowym genem ludzkiej laktoferytyny, białka zwiększającego odporność. Wszystkie 55 cieląt, które spłodził odziedziczyło dodatkowy gen.

Zmodyfikowana genetycznie śliwka jest odporna na chorobę wirusową przenoszoną przez mszyce.

Zablokowanie jednego z genów u myszy powoduje jej otyłość. Mysz z zablokowanym genem po lewej.

Organizmy modyfikowane genetycznie często określane skrótem GMO (z angielskiego Genetically Modified Organisms) to organizmy uzyskane dzięki inżynierii genetycznej. Ich genom został zmodyfikowany w wyniku działania człowieka, a nowe cechy są wykorzystywane na różne sposoby. Produkcja leków takich jak insulina to jedno z pierwszych zastosowań modyfikowanych genetycznie bakterii. Przez kilkadziesiąt lat techniki inżynierii genetycznej były stale rozwijane. Powstały zmodyfikowane genetycznie grzyby (np. drożdże), zwierzęta, rośliny. Modyfikacje genetyczne mogą obejmować: - wprowadzanie nowych genów pochodzących z innego gatunku, powstają organizmy transgeniczne, - wprowadzenie do organizmu dodatkowych kopii genów w nim występujących, - zmianę aktywności występujących naturalnie genów.

Technika przenoszenia genów

Organizmy transgeniczne powstają w wielu laboratoriach. Technika pobierania genu z jednego gatunku i umieszczania w komórkach innego organizmu jest dobrze rozwinięta i stosunkowo prosta. Modyfikacja genetyczna może być przeprowadzana na różne sposoby, jednak podstawowe etapy są podobne.

Etap pierwszy polega na izolacji DNA z komórki dawcy. Ponieważ DNA tworzy bardzo duże cząsteczki, po rozbiciu komórek można je osadzić, wirując roztwór.

Oczyszczone DNA zawiera tysiące genów; w celu ich rozdzielenia poddaje się je działaniu szczególnych enzymów nazywanych enzymami restrykcyjnymi. Rozpoznają one określone sekwencje par nukleotydów, zwykle o długości 4 do 8 par i rozcinają cząsteczkę DNA. Niektóre z enzymów restrykcyjnych działają tak, że każdy z fragmentów posiada krótki odcinek jednoniciowy, który łatwo może być połączony z fragmentem z podobnym końcem z komplementarnymi nukleotydami. Krótkie odcinki jednoniciowe to tak zwane lepkie końce. Inne enzymy restrykcyjne rozcinają DNA tworząc tępe końce, bez wolnych odcinków jednoniciowych. Możliwe jest też łącznie fragmentów DNA z użyciem enzymu o nazwie ligaza DNA. Enzymy restrykcyjne występują naturalnie u bakterii i są u nich mechanizmem obronnym przez atakiem wirusów.

Z wielu fragmentów DNA powstałych po rozcięciu przez enzymy restrykcyjne trzeba oddzielić ten, który zawiera interesujący gen. Fragmenty DNA można posegregować według wielkości w procesie elektroforezy. W żelu, przez który przepływa prąd elektryczny, cząsteczki związków chemicznych posiadających określony ładunek przemieszczają się w stronę jednego z biegunów. Im mniejsza cząsteczka tym szybciej się przemieszcza. W ten sposób po określonym czasie fragmenty DNA naniesione na żel zostają uporządkowane według wielkości i ładunku.

Gdy odcinek DNA zawierający wybrany gen zostanie oddzielony konieczne jest jego powielenie. Możliwe jest to dzięki reakcji nazwanej łańcuchową reakcją polimerazy często określanej skrótem PCR (z angielskiego Polymerase Chain Reaction). Proces przebiega podobnie jak semikonserwatywna replikacja DNA jednak poza komórką. W wysokiej temperaturze nici DNA ulegają rozdzielaniu. Aby dodany do roztworu enzym mógł utworzyć drugą pasująca nić, konieczne jest stworzenie odcinków dwuniciowych o określonej sekwencji. Do roztworu dodaje się tak zwane startery, fragmenty DNA, do których przyłączy się polimeraza DNA. Startery łączą się z DNA wyizolowanego genu, a polimeraza tworzy druga nić komplementarną do obecnej. Koniecznym składnikiem mieszaniny są więc wolne nukleotydy. Cykl powtarzany jest wielokrotnie, za każdym razem ilość cząsteczek z ważnym genem wzrasta dwukrotnie. Dzięki reakcji PCR otrzymuje się ilość DNA z genem na tyle dużą, aby prowadzić dalsze etapy.

Wyizolowany gen może być wprowadzony do wybranego organizmu w kolejnym etapie. Jest to możliwe dzięki tworzeniu tak zwanych wektorów genetycznych, czyli niewielkich cząsteczek DNA do których przyłączany jest przenoszony gen. Wektorem może być DNA wirusa, które jest przy infekcji wprowadzane do komórki gospodarza, mogą być to także niewielkie koliste cząsteczki DNA która naturalnie występują w bakteriach – wektor plazmidowy. Istnieją także inne rodzaje wektorów genetycznych. Organizmy jednokomórkowe aktywnie pobierają DNA jeśli znajdzie się w ich środowisku. Jeśli plazmidy z dodatkowym genem znajda się w roztworze, w którym hodowane są mikroorganizmy, część z nich pobierze plazmid i stanie się on częścią informacji genetycznej organizmu. Wprowadzanie nowego genu do komórek organizmów tkankowych jest nieco trudniejsze.

Nie każda z modyfikowanych komórek zostanie wzbogacona o nowy materiał genetyczny. Aby łatwo oddzielić komórki, które zawierają nowy gen i tylko te rozmnażać do wektorów wprowadza się dodatkowo gen reporterowy, którego obecność w komórce jest łatwa do wykrycia. Może być to obecność dodatkowego barwnika lub zdolność świecenie. U bakterii genem umożliwiającym selekcję zmodyfikowanych komórek jest często gen odporności na antybiotyk. W ten sposób po dodaniu antybiotyku wszystkie bakterie, które nie zostały zmodyfikowane giną.

Komórki mikroorganizmów, które posiadają nowy gen to gotowe organizmy modyfikowane genetyczne. W przypadku zwierząt lub roślin konieczne jest uzyskanie ze zmodyfikowanych komórek dojrzałego osobnika.

Cele modyfikacji organizmów

Danio pręgowany o naturalnym wyglądzie

Pierwsza firma tworząca i wykorzystująca organizmy modyfikowane genetycznie powstała już w latach 70. XX wieku. Obecnie inżynieria genetyczna jest na tyle często wykorzystywana w biotechnologii, że niemal każdy z jej działów wykorzystuje organizmy transgeniczne. Zmodyfikowane mikroorganizmy wykorzystywane są głównie do produkcji nowych rodzajów leków, po modyfikacji mogą również wydajniej przeprowadzać korzystne dla człowieka reakcje i zwiększać produkcję związków chemicznych przydatnych w gospodarce. Zmodyfikowane rośliny mogą zawierać wielokrotnie więcej substancji, które są z nich uzyskiwane. Zmodyfikowane zwierzęta mogą być źródłem leków lub szczepionek. Szybko wzrasta ilość transgenicznych roślin uprawianych przez rolników. Zmodyfikowane rośliny mogą dawać większe plony lub być łatwiejsze w uprawie. Udział roślin uzyskanych z zastosowaniem inżynierii genetycznej w uprawach wzrasta. Inżynieria genetyczna jest także wykorzystywana komercyjnie przy uzyskiwaniu roślin i zwierząt hodowanych hobbystycznie lub ozdobnych. W 2003 roku w Stanach Zjednoczonych do sprzedaży trafiła zmodyfikowana rybka akwariowa o nazwie GloFish. Jest to danio pręgowany, do którego prowadzono gen odpowiedzialny za fluorescencję. Sprzedawane rybki mają różne kolory. Zieloną fluorescencję ryby uzyskały dzięki genowi pochodzącemu z meduzy. Podobny efekt uzyskano po przeniesieniu genu do komórek ryżanki japońskiej. Współpracujące firmy japońska i australijska w 2004 roku zaprezentowały różę do której został przeniesiony gen odpowiedzialny za syntezę niebieskiego barwnika, delfinidyny, występującego w wielu roślinach.

Produkt GMO

Wytworzone przy udziale organizmów zmodyfikowanych genetycznie produkty, trafiające do aptek, sklepów i innych miejsc określane są jako produkty GMO. Do takich produktów zaliczyć można wszystkie leki wytworzone przez modyfikowane organizmy, zboża, warzywa i owoce uzyskane z roślin modyfikowanych genetycznie oraz wszystkie produkty, które powstały przez przetworzenie takich roślin. Produktem GMO będą także modyfikowane zwierzęta oraz produkty, w skład których weszły składniki pochodzące od takich zwierząt. Polskie prawo wprowadza obowiązek oznaczenia produktów GMO lub zawierających składniki GMO powyżej 1% masy. Produkty zawierające mniejsze ilości organizmów modyfikowanych genetycznie nie muszą być oznaczone, o ile ich obecność jest niezmierzona.

Pamiętaj

1. GMO, organizmy modyfikowane genetycznie to organizmy o zmienionym przez człowieka genomie.
2. Techniki pozwalające modyfikować genom organizmów określa się jako inżynieria genetyczna
3. Wiele powszechnie dostępnych leków powstaje dzięki zmodyfikowanym genetycznie mikroorganizmom
4. Wraz ze wzrostem ludzkiej wiedzy coraz łatwiejsze staje się przenoszenie genów miedzy gatunkami w laboratoriach
5. Organizmy zmodyfikowane genetycznie są powszechnie wykorzystywane w biotechnologii, coraz częściej w rolnictwie, stają się dostępne dla każdego człowieka,

Zadania

1. Wyjaśnij jaką właściwość kodu genetycznego wykorzystuje inżynieria genetyczna.
2. Poszukaj w Internecie informacji o niebieskiej róży firmy Suntory. Obejrzyj dostępne zdjęcia zmodyfikowanej róży. Czy prace zakończyły się pełnym sukcesem?
3. Spróbuj ocenić czy techniki inżynierii genetycznej są jedynie wytworem ludzkiej myśli, czy też efektem „podglądania” przyrody. Zwróć uwagę skąd pochodzą enzymy stosowane przy modyfikacjach genetycznych.
4. Podaj trzy organizmy transgeniczne i wyjaśnij jaka cecha została do nich dodana lub zmieniona.