Biologia szkoła ponadgimnazjalna/Modyfikowane genetycznie mikroorganizmy

Modyfikowane genetycznie mikroorganizmy

Zagadnienie z podstawy programowej

„uczeń: przedstawia korzyści dla człowieka wynikające z wprowadzania obcych genów do mikroorganizmów oraz podaje przykłady produktów otrzymywanych z wykorzystaniem transformowanych mikroorganizmów;”

Metody modyfikacji

Przebieg doświadczenia Griffitha

Pałeczka okrężnicy to pierwsza bakteria zmodyfikowana genetycznie.

Mikroorganizmy potrafią w sposób naturalny pobrać ze środowiska materiał genetyczny i wykorzystać go. Zjawisko pobierania DNA z otoczenia nazwane jest transformacją i zostało po raz pierwszy zaobserwowane przez Fredericka Griffitha w 1928 roku. Naukowiec prowadził badania szczepionki przeciw zapaleniu płuc. Spośród dwóch szczepów bakterii, popularnie nazywanych pneumokokiem, jeden (S) posiadał polisacharydową otoczkę i wywoływał chorobę, drugi (R) nie posiadał otoczki i był łatwo zwalczany przez system odpornościowy organizmu. Zabite ciepłem bakterie szczepu S nie powodowały choroby, jednak jeśli zostały zmieszane z żywymi bakteriami szczepu R dochodziło do rozwoju choroby. W sytuacji, gdy Griffith podał myszom bakterie R w obecności zabitych bakterii S, żywe bakterie wyizolowane ze zdechłej myszy posiadały polisacharydową otoczkę. To, że czynnikiem transformującym jest DNA zostało wyjaśnione kilkanaście lat później. Zjawisko transformacji jest wykorzystywane przez inżynierię genetyczną do przenoszenia genów. Zdolność wchłaniania DNA posiadają organizmy jednokomórkowe. Wystarczy umieścić w ich środowisku plazmid z wyizolowanym genem, aby powstały organizmy zawierające nowy gen. Zdolność transformacji w warunkach laboratoryjnych jest zwykle zwiększana poprzez zastosowanie środków chemicznych zwiększających przepuszczalność błony komórkowej. Jednak w ten sposób możliwe jest wprowadzenie niewielkich fragmentów DNA, zawierających jeden do kilku genów. Przy wprowadzaniu większych ilości materiału genetycznego wykorzystuje się najczęściej wektory w postaci bakteriofagów, czyli wirusów bakteryjnych. Bakteriofagi pozwalają na przeniesienie większych cząsteczek DNA.

Modyfikowane mikroorganizmy

Produkcja leków, enzymów, witamin z zastosowaniem mikroorganizmów jest wykorzystywana przez tradycyjną biotechnologię. Zastosowanie mikroorganizmów zmodyfikowanych genetycznie znacznie rozszerzyło możliwości biotechnologii w zakresie produkcji trudnych do syntezy związków chemicznych. Pierwszym organizmem zmodyfikowanym genetycznie, a zarazem pierwszym wykorzystanym o produkcji nowych leków jest bakteria pałeczka okrężnicy (Escherichia coli). Dla biologów zajmujących się inżynierią genetyczną jest organizmem modelowym, znana jest jej budowa, metabolizm i genetyka. Jest łatwa w hodowli i nie ma dużych wymagań. Jeden ze szczepów (K-12) posiada kolistą cząsteczkę DNA składającą się z 4 639 221 par zasad i zawierającą 4 377 genów. Bakteria występuje naturalnie w przewodzie pokarmowym człowieka i większość szczepów nie powoduje schorzeń, jeśli nie znajdą się w obrębie innego układu. W optymalnych warunkach bakteria rozmnaża się bardzo szybko. Niektóre wykorzystywane w biotechnologii mikroorganizmy wymagają wyjątkowo trudnych do stworzenia warunków. Bakterie patogenne mogą wymagać obecności komórek zwierzęcych. Przeniesienie wykorzystywanych właściwości takich bakterii do łatwiejszych w hodowli organizmów jest bardzo praktyczne. Drugim często wykorzystywanym w biotechnologii tradycyjnej oraz inżynierii genetycznej są drożdże. W nowoczesnej biotechnologii stosowane mogą być także inne grzyby oraz protisty.

Leki uzyskiwane dzięki GMO

Ludzka insulina jest od wielu lat wytwarzana przez zmodyfikowane genetycznie bakterie lub drożdże.

Pijawki lekarskie wytwarzają hirudynę. Dzięki zmodyfikowanym bakteriom, można ją uzyskać bez zabijania pijawek.

Insulina

Przed powstaniem bakterii, które wytwarzały ludzka insulinę, do leczenia cukrzycy wykorzystywana była insulina uzyskiwana z trzustek zwierząt. Insulina innych gatunków w niewielkim stopniu różni się od tej produkowanej przez organizm człowieka, co prowadzi do reakcji alergicznych i powikłań u pacjentów. W 1982 roku insulina wytwarzana metodami inżynierii genetycznej została zaakceptowana do stosowania u ludzi. Produkcja mogła zostać zwiększona dzięki wprowadzeniu genów odpowiedzialnych za syntezę insuliny do komórek drożdży. Dalsze prace umożliwiły stworzenie form insuliny o wydłużonym działaniu oraz szybko działających. Analogi insuliny o wydłużonym działaniu działają przez 24 godziny od podania. Zmniejsza to ilość zastrzyków, które muszą być wykonane u chorych na cukrzycę, zwiększając komfort ich życia. Insulinę szybkodziałajacą i długodziałająca uzyskano poprzez zmiany w kodzie genu białek insuliny. Zamieniony zostało jeden lub dwa aminokwasy

Hormon wzrostu

Hormon wzrostu podaje się jako lek dzieciom, u których przysadka mózgowa wytwarza go zbyt mało. Niedobór hormonu prowadzi do karłowatości. Podanie hormonu umożliwia osiągnięcie normalnego wzrostu osobom z zespołem Turnera, zespołu wad wrodzonych związaną z brakiem w kariotypie jednego z chromosomów X. Hormon jest wytwarzany przez zmodyfikowane mikroorganizmy. Powstał także zmodyfikowany hormon o wydłużonym czasie działania.

Czynniki krzepnięcia krwi

Czynniki krzepnięcia krwi to białka i polipeptydy, których niedobór powoduje hemofilię – chorobę, której objawem jest brak krzepnięcia krwi i częste krwotoki. Przyczyną choroby jest najczęściej wadliwy gen. Jest to więc choroba genetyczna. DNA z prawidłowym genem zostało metodami inżynierii genetycznej przeniesione do mikroorganizmów. Wytwarzane w ten sposób preparaty umożliwiają prowadzanie normalnego życia osobom, u których bez leków nawet lekkie stłuczenie może być przyczyną śmierci.

Hirudyna

Hirudyna to białko o działaniu przeciwzakrzepowym. Wytwarzane jest naturalnie przez pijawki żywiące się krwią. Jej działanie objawia się obniżeniem krzepliwości krwi. Pozwala to na stosowanie jej jako leku przy żylnej chorobie zakrzepowo-zatorowej oraz innych chorobach. Pijawka lekarska wytwarzająca hirudynę jest w Polsce objęta ścisła ochroną gatunkową. Pozyskiwanie z niej substancji do leków mogłoby szybko doprowadzić do wyginięcia gatunku. Przeniesienie genu do mikroorganizmów pozwala na produkcję leków bez zubożenia świata przyrody.

Interferon

Interferon to białko wytwarzane przez komórki organizmu podczas infekcji. Białko spowalnia proces namnażania się wirusów w komórkach. Dzięki temu jest jednym z nielicznych leków stosowanych w chorobach wirusowych, na przykład jako lek spowalniający rozwój wirusa HIV. Lek wytwarzany jest przez zmodyfikowane mikroorganizmy, do których dodano gen z komórek ludzkich.

Erytropoetyna

Rekombinowane szczepionki mogą być tańsze i nie powodować powikłań

Erytropoetyna to hormon zwiększający produkcję krwinek czerwonych. Produkowana przez zmodyfikowane mikroorganizmy pozwala leczyć osoby chore na anemię oraz z niewydolnością nerek.

Leków wytworzonych z udziałem modyfikowanych genetycznie organizmów przybywa w szybkim tempie. Leki zawierające białka, powstałe dzięki modyfikacjom genetycznym nazywane są lekami rekombinowanymi. Wśród kandydatów na nowe leki 36% to leki określane jako rekombinowane. Jedną z ważniejszych grup są szczepionki. Mikroorganizmy produkują na przykład szczepionki przeciwko wirusowemu zapaleniu wątroby typu B. Rekombinowane szczepionki zawierają jedynie białko patogenu. Organizm rozpoznaje je i uczy się je zwalczać. Tradycyjne szczepionki zawierają zwykle osłabione żywe lub zabite wirusy lub bakterie. Nie jest pewne, czy w wyjątkowych sytuacjach np. u osób chorych osłabione patogeny nie mogą wywołać choroby. Mikroorganizmy są wykorzystywane do produkcji witamin przez biotechnologię tradycyjną. Inżynieria genetyczna umożliwiła poprawę wydajności procesów biotechnologicznych. Witamina B₂, ryboflawina, jest stosowana jako żółty barwnik żywności. Duże zapotrzebowanie skłoniło firmy produkujące substancję do wykorzystania modyfikowanych genetycznie komórek bakterii i grzybów. Bakterie produkujące witaminę B₁₂ dzięki zabiegom inżynierii genetycznej, polegającym na zwielokrotnieniu ilości odpowiednich genów zwiększyły swoją wydajność około stukrotnie.

Wykorzystanie modyfikowanych mikroorganizmów w przemyśle

Enzymy zwiększające skuteczność proszków do prania mogą być wytwarzane przez zmodyfikowane genetycznie organizmy.

Witamina B₂ używana jest jako barwnik w produktach spożywczych.

Witamina B₂ może być wykorzystywane jako lek, lecz znalazła także zastosowanie w przemyśle spożywczym. Trudnych do uzyskania substancji stosowanych w przemyśle jest jednak więcej. Podpuszczka, która stosowana jest przy produkcji serów, jest obecnie produkowana przez mikroorganizmy z dodatkowym genem. Może mieć to także znacznie dla osób, które unikają produktów, do wytworzenia których konieczne było zabijanie zwierząt. Wcześniej podpuszczka pozyskiwana była z żołądków młodych ssaków. Modyfikowane bakterie pomagają utrzymać czystość. Większość proszków do prania zawiera enzymy pozwalające pozbyć się plam. Enzymy te mogą być wytwarzane przez modyfikowane genetycznie mikroorganizmy.

Pamiętaj

1. Wiele mikroorganizmów zostało doskonale poznanych i może być łatwo poddanych zabiegom inżynierii genetycznej
2. Modyfikowane genetycznie organizmy pozwalająca łatwe uzyskanie substancji przydatnych w medycynie, przemyśle i gospodarstwie domowym
3. Stosowanie modyfikowanych mikroorganizmów pozwala zmniejszyć ilość zabijanych zwierząt (trzustki zwierząt, żołądki ssaków)
4. Rekombinowane leki pozwalają żyć ludziom, którzy urodzili się z chorobami genetycznymi
5. Rekombinowane szczepionki zmniejszają ryzyko powikłań po ich przyjęciu

Zadania

1. Która z insulin wykorzystywanych przy leczeniu cukrzycy jest lepsza ludzka czy zwierzęca? Uzasadnij odpowiedź.
2. Dlaczego pałeczka okrężnicy (Escherichia coli) jest tak często wykorzystywane w inżynierii genetycznej?
3. Tworzenie organizmów zmodyfikowanych genetycznie jest przez część ludzi traktowane jako metoda wbrew naturze. Na przykładzie Modyfikowanych mikroorganizmów wyraź swoją opinię dotyczącą etycznej strony rozwoju tej dziedziny nauki.
4. Naukowcy pracują nad zastosowaniem modyfikowanych genetycznie mikroorganizmów w ochronie środowiska. Poszukaj w Internecie potencjalnych lub wykorzystywanych technik ochrony środowiska z zastosowaniem GMO.