Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Inżynieria genetyczna
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Inżynieria genetyczna
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Początek inżynierii genetycznej
Na początku lat
siedemdziesiątych ubiegłego
wieku dwóch amerykańskich
biologów, Stanley Cohen i
Herbert Boyer, podjęli się,
jak dotąd nierealnego zadania:
po raz pierwszy przenieśli
ludzki gen do bakterii,
pokazując, że podstawowa
instrukcja życia zapisana jest
we wszystkich organizmach w
tym samym języku. To
wydarzenie było początkiem
ery inżynierii genetycznej.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Aby móc wykorzystać jakiś organizm do celów
przemysłowych lub naukowych, trzeba rozpoznać
jego właściwości i zadecydować, która z nich może
być przydatna. Takie
wykorzystanie organizmów lub ich
procesów życiowych do produkcji lub ulepszania innych
organizmów nazywamy BIOTECHNOLOGIĄ.
Organizmami powszechnie wykorzystywanymi przez
człowieka do produkcji, ulepszania lub
konserwowania żywności są bakterie, drożdże i
grzyby.
Biotechnologia
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Uzyskiwanie zarodków zwierząt
gospodarskich in vitro : Potomstwo z
zarodków uzyskanych in vitro otrzymano u
wszystkich gatunków zwierząt
gospodarskich: owce - 1987, bydło - 1988,
świnie - 1989, kozy -1993, konie - 2002.
Transplantacja narządów - czyli
przeszczepianie choremu narządów lub
tkanek pochodzących od innej osoby, są
jedną z metod ratowania życia osób, których
organy są w stanie uniemożliwiającym
wyleczenie.
Współczesne metody
biotechnologii
Do metod współczesnej biotechnologii zaliczamy również inżynierię
genetyczną.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Zastosowanie biotechnologii
Ze względu na sposób wykorzystania można mówić o biotechnologii:
- zielonej - czyli stosowanej w rolnictwie, związanej z uprawą
transgenicznych roślin i hodowlą transgenicznych zwierząt.
-
białej – stosowanej w przemyśle spożywczym, np. w procesach
produkcji alkoholu, przetworów mlecznych, wyrobów piekarniczych.
- czerwonej – wykorzystywanej w medycynie do produkcji leków,
szczepionek i farmaceutyków.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Inżynieria genetyczna
Inżynieria genetyczna to zespół technik, mających
na celu trwałą zmianę właściwości dziedzicznych
organizmu w wyniku wprowadzenia do niego obcych
genów. Polega ona na bezpośrednim manipulowaniu
materiałem genetycznym i umożliwia tworzenie
nowych, nieznanych dotąd odmian roślin i zwierząt,
najczęściej o korzystnych dla człowieka
właściwościach użytkowych.
Pospolicie metody inżynierii genetycznej stosuje się
w rolnictwie, medycynie i farmakologii.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Podstawowe pojęcia
inżynierii genetycznej
•
Inżynieria genetyczna – zabiegi prowadzące do
zmiany informacji genetycznej danego organizmu tak, by
posiadał nowe, pożądane cechy. Najczęściej pobierane są
ściśle określone fragmenty DNA od komórki dawcy i
wprowadzane do komórki biorcy.
•
Organizm transgeniczny – to organizm, który w
swoim materiale genetycznym zawiera obce dla gatunku
geny.
•
Organizmy modyfikowane genetycznie (GMO -
Genetically Modified Organisms) – to wszystkie organizmy
uzyskane metodami inżynierii genetycznej.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Metody inżynierii genetycznej
polegają na:
izolowaniu fragmentów materiału
genetycznego z komórki,
wprowadzeniu zmian do informacji
genetycznej,
przenoszeniu fragmentów DNA do komórek
innego organizmu,
powielaniu (klonowaniu) genów i całych
organizmów.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Techniki wykorzystywane w inżynierii
genetycznej umożliwiają m.in.:
•
tworzenie nowych kombinacji genów (również takich, które
nie są spotykane w przyrodzie),
• konstrukcję użytecznych mikroorganizmów np. sztucznych
plazmidów, wykorzystywane jako wektory,
• uzyskanie nowych odmian roślin i zwierząt, w tym
organizmów transgenicznych,
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Rośliny Transgeniczne - Modyfikowane genetycznie są głównie
rośliny mające duże znaczenie gospodarcze, zmiana genomu ma na
celu nadanie im pożądanych przez człowieka cech, tj. np.: większą
trwałość, odporność na szkodniki, wirusy i grzyby, herbicydy (środki
ochrony roślin), podniesienie ich cech jakościowych, np. lepszego
smaku.
Zwierzęta transgeniczne - Modyfikacje zwierząt nie są tak
popularne jak roślin, głównie ze względu na trudności w samym
procesie modyfikacji, proces jest bardzo skomplikowany i trwa długo,
koszty są bardzo duże.
Efektem stosowania inżynierii genetycznej jest powstawanie
genetycznie modyfikowanych organizmów - w skrócie GMO.
Dokonania inżynierii
genetycznej
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Modyfikacje genetyczne to przeważnie wprowadzenie genów
pochodzących z innych gatunków, które nadają modyfikowanemu
organizmowi pożądaną cechę, nie występującą u niego naturalnie.
Główne zastosowania modyfikacji:
zmodyfikowane mikroorganizmy są używane do produkcji pewnych
substancji chemicznych, takich jak np. insulina,
modyfikowanie roślin pozwala dodać/wzmocnić cechy zwiększające
opłacalność produkcji.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Metody przenoszenia i powielania
genów
1. Wszelkie zabiegi na materiale genetycznym muszą
rozpocząć się od jego wyizolowania z komórki. Stosuje
się tu różne metody, a efektem jest uzyskanie czystych
cząsteczek DNA.
2. Cząsteczki DNA są cięte na krótsze kawałki za pomocą
enzymów restrykcyjnych. Są to enzymy, które
rozpoznają odpowiednie sekwencje DNA i przecinają je w
tym miejscu w poprzek. Enzymy te są specyficzne, to
znaczy jeden enzym rozpoznaje tylko jedną określoną
sekwencję DNA. Większość z nich przecina cząsteczkę w
charakterystyczny sposób - pozostawiając tzw. „lepkie
końce”.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
3. Wśród pociętych kawałków DNA muszą zostać znalezione
te części, które zawierają poszukiwany gen. Znalezione
odpowiednimi metodami fragmenty są izolowane od
reszty materiału genetycznego
Metody przenoszenia i powielania
genów (ciąg dalszy):
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
4. Uzyskane fragmenty DNA wraz z poszukiwanym genem
zostają wprowadzone do komórek modyfikowanego
organizmu. Mogą to być komórki bakterii, grzybów, roślin i
zwierząt. Sposób wprowadzenia „obcego” DNA zależy od
rodzaju „biorcy”, ale zawsze użyty musi być specjalny nośnik
zwany wektorem.
Jeśli transformowaną komórką ma być komórka bakterii,
jako wektora można użyć plazmidu. Plazmid to niewielkie
koliste cząsteczki DNA, charakterystyczne dla bakterii, które
łatwo wnikają do wnętrza komórek i tam ulegają
autoreplikacji (samopowieleniu).
Metody przenoszenia i powielania
genów (ciąg dalszy):
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Wbudowanie obcego genu polega na
przecięciu plazmidu tym samym enzymem
restrykcyjnym, co cięty poprzednio fragment
DNA. Obie cząsteczki posiadają wtedy takie
same „lepkie końce”. Następnie mieszane są
ze sobą oraz z enzymami umożliwiającymi ich
łączenie - tzw. ligazami. Otrzymujemy wtedy
nowe, „zrekombinowane” plazmidy.
Metody przenoszenia i powielania
genów (ciąg dalszy):
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
5. 5. Stosowanie technik inżynierii genetycznej wymaga posiadania
odpowiedniej ilości kopii genu, dlatego uzyskane fragmenty DNA,
połączone z wektorem, poddaje się klonowaniu (czyli powielaniu).
Wykorzystać można do tego celu bakterie, którym podano
zrekombinowany plazmid. Bakterie, po odpowiednim przygotowaniu,
bardzo łatwo pobierają plazmidy z otoczenia, a następnie wchłonięta
cząsteczka ulega autoreplikacji - następuje jej klonowanie.
Innym często stosowanym wektorem są wirusy. W ich
naturze leży wbudowywanie własnego materiału
genetycznego do genomu gospodarza. Wystarczy więc
odpowiednio zmodyfikowanym wirusom „dokleić” uzyskany
wcześniej fragment DNA i zainfekować nimi komórkę
Metody przenoszenia i powielania
genów (ciąg dalszy):
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Coraz częściej stosuje się prostszy sposób powielania fragmentów DNA. Jest
to metoda laboratoryjna zwana w skrócie PCR, polegająca na rozdzieleniu
podwójnej helisy i dobudowywaniu nici komplementarnej przy udziale
polimerazy. Zabieg ten może być powtarzany wielokrotnie, a liczba
otrzymanych kopii jest właściwie nieograniczona.
Skutkiem stosowania opisanych technik jest powstawanie organizmów
transgenicznych.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Organizm transgeniczny to organizm, któremu
wprowadzono obcy fragment DNA.
Organizmy transgeniczne nie są jedynymi organizmami,
na których dokonuje się manipulacji genowych - można
na przykład pozbawić organizm jakiegoś genu albo
wprowadzić ten sam, ale nieco zmieniony.
Wszystkie organizmy, w których dokonano jakiejkolwiek
ingerencji w materiał genetyczny, nazywamy
organizmami genetycznie modyfikowanymi - w skrócie
GMO.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Klonowanie organizmów
Termin klonowanie odnosi się zarówno do fragmentów DNA,
jak i do pojedynczych komórek lub całych organizmów. W
każdym przypadku oznacza to powielenie DNA.
Klonowanie organizmów to uzyskiwanie osobników
identycznych genetycznie. Osobniki te nazywane są klonami.
W przyrodzie istnieją naturalne klony wszędzie tam, gdzie mamy
do czynienia z rozmnażaniem bezpłciowym przez podział, a więc u
bakterii, pierwotniaków czy jednokomórkowych glonów. Również rośliny
powstałe wskutek rozmnażania wegetatywnego są klonami. U ludzi klonami
są bliźnięta jednojajowe, gdyż powstają poprzez rozpad zarodka w
pierwszych dniach jego rozwoju. Natomiast nie ma w świecie zwierząt i
ludzi naturalnego powielania osobników już istniejących czy wręcz
dojrzałych, a właśnie taki sposób klonowania stał się obiektem badań
człowieka.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Metoda dzięki której powstała słynna owca Dolly została już
wielokrotnie zastosowana. Efektem jest coraz liczniejsza
gromada sklonowanych ssaków: od myszy, przez
zwierzęta hodowlane po małpy. Procedura wygląda
następująco:
1. Pobiera się komórkę jajową od samicy A i usuwa z niej jądro komórkowe.
2. Na miejsce usuniętego jądra wprowadza się inne, pochodzącego z
komórki samicy B. To ona będzie sklonowana, gdyż jest dawcą materiału
genetycznego. Wprowadzone jądro musi pochodzić z komórki
somatycznej - chodzi o to, by było diploidalne.
3. „Oszukana” komórka jajowa zachowuje się tak, jakby została
zapłodniona i przekształca się w zarodek.
4. Rozwijający się zarodek umieszcza się w macicy samicy C.
5. Po okresie ciąży samica C rodzi młode, które jest klonem samicy
B!
Klonowanie organizmów
Ta prosta na pozór procedura jest bardzo zawodna - owca Dolly „udała się”
dopiero za 277 razem.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Klonowanie organizmów
Cel klonowania
Klonowanie może mieć zastosowanie wszędzie tam, gdzie
chcemy uzyskać identyczne kopie jakiegoś organizmu.
Mogą to być zwierzęta hodowlane o szczególnie wysokich
walorach użytkowych lub organizmy genetycznie
zmodyfikowane (manipulacje genami są skomplikowane
stąd łatwiej jest powielać raz „skonstruowany” model niż
tworzyć go za każdym razem od nowa). Nie mają
natomiast żadnego uzasadnienia pomysły dotyczące
klonowania człowieka, a próby takiej działalności są
niemoralne.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Najważniejsze modyfikacje dotyczą
odporności na szkodliwe czynniki, takie jak
różne choroby roślin, chwasty, czynniki
klimatyczne itd., oraz wprowadzania do
roślin genów produkujących pewne
pożądane substancje (np. prowitamina A
w zmodyfikowanym genetycznie ryżu).
Na szeroką skalę GMO w rolnictwie
stosuje się tylko w kilku krajach – przede
wszystkim w Stanach Zjednoczonych.
Modyfikacje
genetyczne w
rolnictwie
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
Terapia genowa – polega na leczeniu chorób uwarunkowanych
genetycznie za pomocą genów. Polega na wprowadzeniu zdrowego genu
do komórek, w których odpowiednie geny nie produkują niezbędnego
białka. Zadaniem wprowadzonych genów jest przejęcie funkcji genów,
które nie działają prawidłowo. Technika ta jest jeszcze w fazie
eksperymentu.
Milena Ruszczyk, IV TLB/TI
W Rolnictwie
W Medycynie
Rośliny :
-Zwiększenie odporności na
choroby, środki chwastobójcze,
owady
-przyśpieszenie wzrostu roślin
-opóźnienie psucia owoców i
warzyw
-nadanie roślinom odporności na
niekorzystne warunki środowiska
-zwiększenie wartości odżywczej
produktów roślinnych
Zwierzęta :
-szybszy wzrost
-większa masa mięśniowa
-uzyskanie czynników krzepnięcia krwi, którą
stosuje się w leczeniu chorych na anemię i
hemofilię
-produkcja leków, witamin, szczepionek
-możliwości w diagnostyce oraz leczeniu chorób
przewlekłych
-możliwość rozpoczęcia terapii genowej
-możliwość określenia genomu ludzkiego i tym
samym stwierdzenia czy nie zachoruje on w
przyszłości np. na nowotwór
-możliwość zapłodnienia in vitro
-dzięki inżynierii udało sie stworzyć testy na
obecność wirusa HIV
-do organizmów wprowadza się geny które
pobudzają narządy do samodzielnego leczenia
się
Znaczenie inżynierii
genetycznej: