inżynieria genetyczna – manipulacje na materiale genetycznym prowadzące do jego zmiany, zmienianie genomów w taki sposób, aby uzyskać organizmy o wybranych cechach
Biotechnologia – wykorzystanie organizmów żywych do produkcji substancji użytecznych dla człowieka
biotechnologia tradycyjna – wykorzystanie organizmów żywych z niezmienionym materiałem genetycznym, dobór org. przez selekcję sztuczną
biotechnologia nowoczesna – wyk. org. ze zmienionym za pomocą technik inżynierii genetycznej materiałem genetycznym
Biotechnologia tradycyjna
fermentacja – podstawowy proces w biotechnologii tradycyjnej; przemiany enzymatyczne związków przeprowadzane przez mikroorganizmy w warunkach beztlenowych, jeden z rodzajów oddychania beztlenowego
fermentacja mlekowa – w wyniku działania bakterii mlekowych (Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus) cukier jest rozkładany do kwasu mlekowego z uwolnieniem energii; stosowana w produkcji przetworów mlecznych, zakwasów chlebowych, kiszonych owoców i warzyw
fermentacja etanolowa – zachodzi za sprawą drożdży (np. Saccharomyces cerevisiae) które rozkładają cukier na alkohol i CO2 z wydzieleniem energii; wykorzystywana do produkcji napojów alkoholowych, chlebów i ciast
Biotechnologia w ochronie środowiska
wykorzystywanie organizmów do rozkładu substancji – zdolność tych organizmów do uzyskiwania energii z rozkładu substancji organicznych lub nieorganicznych, nawet toksycznych dla ludzi; wykorzystywane jest to przy oczyszczaniu ścieków, powietrza, przetwarzaniu odpadów komunalnych i produkcji tworzyw biodegradowalnych.
Oczyszczanie biologiczne ścieków – przy użyciu organizmów w specjalnym zbiorniku z nieruchomym złożem (lub osadem czynnym), na którym osadzone jest złoże biologiczne (bakterie, grzyby, protisty)
Oczyszczanie powietrza – stosuje się biofiltry. Biofiltr składa się z warstwy materiału porowatego zasiedlonego przez mikroorganizmy, które mają zdolność rozkładu zanieczyszczeń
Utylizacja odpadów komunalnych
- kompostowanie – polega na rozkładaniu resztek roślinnych przez bakterie oraz grzyby oddychające tlenowo. Trudniej rozkładalne szczątki roślin są przekształcane w substancje zwane kompostem, który jest stosowany jako nawóz
- fermentacja metanowa – proces rozkładu związków organicznych przez mikroorganizmy oddychające beztlenowo, w którego wyniku powstaje mieszanina gazów (głównie CO2 i metanu) zwana biogazem, który stanowi źródło energii
tworzywa biodegradowalne – łatwe do rozłożenia przez wybrane mikroorganizmy materiały używane zamiast tradycyjnych tworzyw sztucznych. Pozwalają znacznie zmniejszyć zanieczyszczenie środowiska
Biologiczne zwalczanie szkodników – ograniczanie szkód w uprawach za pomocą wybranych organizmów lub wytworzonych przez nie substancji. Najczęściej używa się naturalnych wrogów szkodników; może być to alternatywa dla chemicznych środków ochrony roślin
Ocena stanu zanieczyszczenia środowiska – ocena obecności zanieczyszczeń na danym terenie poprzez badanie obecności gatunków wskaźnikowych (bioindykatorów) na danym obszarze lub obserwacje zmian morfologicznych zachodzących u określonych gatunków np. zasięg porostów, zmiana koloru igieł drzew
produkcja energii – wytwarzanie energii na skalę przemysłową poprzez spalanie resztek roślinnych; biogaz jako alternatywa dla gazu ziemnego; paliwo płynne z olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych; biopaliwa wyprodukowane z biomasy – odnawialne źródło energii
Oczyszczanie wody – np. po katastrofach tankowców; wykorzystuje się gatunki bakterii, dla których źródłem są węglowodory. Po wyczerpaniu źródeł energii bakterie giną
Podstawowe techniki inżynierii genetycznej
organizm zmodyfikowany genetycznie – GMO – organizm, którego cechy dziedziczne zostały zmienione wskutek ingerencji w jego materiał genetyczny
Techniki:
- wstawienie dodatkowej kopii genu (nasila)
- zmianę aktywności wybranego genu
- wprowadzenie do genomu genu organizmu innego gatunku (organizm transgeniczny)
Sekwencjonowanie DNA – ustalanie kolejności (sekwencji) nukleotydów w celu uzyskania informacji o jego cechach np. sposób regulowania jego ekspresji, właściwości białka
Enzymy restrykcyjne = restryktazy – tną kwas nukleinowy zawsze w określonym miejscu
Elektroforeza – technika rozdzielania w polu elektrycznym cząsteczek rozciętego DNA o różnych właściwościach (masa, ładunek elektryczny). Polega na umieszczeniu próbek na specjalnym żelu (struktura sieci), który poddaje się działaniu pola elektrycznego. Cząsteczki DNA przemieszczają się – mniejsze szybciej, duże wolniej.
powielanie genu za pomocą polimerazy DNA – w celu uzyskania wielu tysięcy kopi genu bez konieczności wycinania go z genomu za każdym razem; zastosowanie łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR) zachodzącej w termocyklerze umożliwiającym wielokrotne, szybkie zmiany temperatury [poszczególne etapy (przyłączanie starterów i dobudowanie nukleotydów) wymagają innej temperatury]
wektory – przenośniki, za pomocą których wprowadza się gen do komórki; w cząsteczkę DNA wektora wbudowuje się wybrany gen, a następnie wprowadza się ją do określonej komórki; wektory chronią gen przed zniszczeniem oraz umożliwiają jego kopiowanie i przekazywanie komórkom potomnym
wektorami mogą być plazmidy, specjalne wirusy, sztuczne hormony (w zależności od rodzaju komórki docelowej)
transformacja genetyczna – wprowadzenie do komórki obcego materiału genetycznego
Kolistą cząsteczkę plazmidu wycina się enzymem restrykcyjnym, wprowadza się gen wycięty z genomu innego organizmu a następnie dodaje się ligazę, która łączy końce DNA plazmidu i genu. Aby bakterie pobrały plazmidy, umieszcza się je razem z nimi w spec. roztworze lub stosuje się impuls elektryczny
biblioteka genomowa – kolekcja bakterii zawierająca plazmidy ze wszystkimi fragmentami DNA organizmu (informacją genetyczną)
Organizmy zmodyfikowane genetycznie
Rośliny – w celu uzyskania odmian wykazujących pożądane cechy np:
- większa odporność na choroby, szkodniki, niekorzystne warunki
- zwiększona zawartość niektórych składników
- zmniejszona zawartość niektórych białek, np. powodujących alergie
Najczęściej używana jest bakteria Agrobacterium tumefaciens XDDD
Modyfikacji genetycznych zwierząt dokonuje się najczęściej w celu:
- uzyskania osobników o cennych cechach ze względów hodowlanych (zwiększenie wydajności produkcji mleka, szybszy przyrost masy, polepszenie jakości mięsa, wełny, zwiększenie odporności)
- pozyskiwania wytwarzanych przez nie białek (np. jako składniki lekarstw)
- naukowym do badań nad chorobami człowieka i badania metod leczenia
Zwierzęta zmodyfikowane genetycznie rzadko okazują się sukcesem bo często zapadają na różne choroby, na które chorują niezmodyfikowane zwierzęta.
Pozyskiwanie białek człowieka stosuje się w medycynie i farmacji do produkcji np. antytrombiny, erytropoetyny, kolagenu czy hormonu wzrostu.
Biotechnologia a medycyna
Diagnostyka molekularna – dział medycyny zajmujący się rozpoznawaniem chorób i identyfikacją cech osobniczych przy zastosowaniu technik biotechnologii nowoczesnej. Pozwala wykryć chorobę przed wystąpieniem objawów. Polega na: * analizie materiału genetycznego i *wykrywaniu białek
Analiza materiału genetycznego umożliwia wykrycie wad i chorób genetycznych (badanie prawidłowej sekwencji) a także zakażeń wirusowych i bakteryjnych (obecność ich materiału genetycznego w próbce) za pomocą sekwencjonowania DNA, PCRu, elektroforezy, restryktazy.
Metody wykrywania białek – stosowane w diagnostyce chorób zakaźnych i onkologii.
Antybiotyki – do ich wytwarzania używa się genetycznie ulepszonych szczepów bakterii lub grzybów. Produkują one antybiotyki w naturalny sposób, aby hamować rozwój konkurujących z nimi organizmów.
Biofarmaceutyki (białkowe substancje lecznicze) – zastępują nieprawidłowe białka, hamują lub pobudzają wybrane reakcje metaboliczne w komórce. Produkowane są za pomocą: mikroorganizmów, wirusów, hodowli komórek np. ssaków, roślin i zwierząt.
Mikroorganizmy zmodyfikowane genetycznie mogą wytwarzać identyczne z naturalnymi białka. Za ich pomocą produkuje się np. cytokiny (interferonbiałaczka), hormony ludzkie, białka na szczepionki.
W hodowlach komórek ssaków wprowadza się gen kodujący dane białko i odpowiednią sekwencję nukleotydów, która pozwala wytwarzać je w dużej ilości. (np. przeciwciała, enzymy człowieka)
Komórki macierzyste – niewyspecjalizowane komórki, które hodowane w odpowiednich warunkach mogą różnicować się w określone tkanki
Terapia genowa – wprowadzanie prawidłowej wersji uszkodzonego genu do komórek pacjenta
Rodzaje terapii genowych:
- dodawanie genów (prawidłowa wersja wprowadzana w inne miejsce niż uszkodzony gen)
- zamiana genów (zmutowany gen jest zastępowany prawidłową wersją)
- doskonalenie genomu (dodanie genu, który koduje nową dla komórki substancję)
Klonowanie
Klonowanie – tworzenie genetycznej kopii fragmentu DNA, komórki lub organizmu. Proces ten zachodzi także podczas rozmnażania bezpłciowego (podział komórki), fragmentacji (rośliny), a u ssaków klonami są bliźnięta jednojajowe.
Klony DNA wykorzystuje się do:
- badania funkcji genów
- badania procesów, w których bierze udział DNA (np. replikacja, transkrypcja)
- przeprowadzania modyfikacji genetycznych
- tworzenia bibliotek genomowych
- długotrwałego przechowywania
Klonowanie komórek polega na podziałach komórki macierzystej w hodowli. Uzyskane komórki są identyczne pod względem genetycznym. Wykorzystuje się je głównie w
- przemyśle spożywczym (aminokwasy, witaminy, dodatki do zywności)
- medycynie (leki, szczepionki)
- badań nad toksycznością różnych substancji (medycyna, farmacja, kosmetologia, ochrona środ.)
Inżynieria genetyczna – korzyści i zagrożenia
ZA
- badania naukowe
- medycyna
- rolnictwo
- przemysł
- ochrona środowiska
PRZECIW
- GMO mogą wyprzeć naturalne organizmy
- niebezpieczne krzyżowanie się z rodzimymi gatunkami lub z innymi gatunkami (np. superchwasty)
- niewiadomy wpływ na zdrowie człowieka
- mogą wytwarzać niebezpieczne białka
OBAWY ETYCZNE
- przedmiotowe traktowanie zwierząt w trakcie badań
- wiele tysięcy zwierząt jest zabijanych
- obawa przed stworzeniem broni biologicznej
ZAPOBIEGANIE
- separacja od otoczenia
- kontrolowanie (np. wprowadzanie genów, które warunkują obumieranie w określonych warunkach)
- ograniczenie możliwości rozmnażania
- specjalne strategie upraw (np. mieszanie z niezmodyfikowanymi odmianami na uprawie)
- nakaz badań wszystkich produktów z GMO
Praktyczne zastosowania
- medycyna (diagnostyka molekularna, poradnictwo genetyczne, dobór terapii)
- medycyna sądowa (kryminalistyka)
- biotechnologia nowoczesna (organizmy transgeniczne i klony)
- ewolucjonizm (ustalanie przodków)
- systematyka
Profil genetyczny – zawiera sekwencje nukleotydów DNA unikalne dla danej osoby
Chromosom Y jest dziedziczony w linii męskiej, a DNA mitochondrialny po linii żeńskiej.
[analiza DNA osób daleko spokrewnionych]