Inżynieria genetyczna narzędziem biotechnologii – materiał wprowadzający
Biotechnologia to synonim nowoczesności i postępu. Mówi się o niej, że jest nadzieją XXI wieku. Informacje o jej najnowszych osiągnięciach zajmują pierwsze strony gazet. Budzą zarówno nadzieje, jak i obawy; wywołują gorące dyskusje w kręgach naukowców, polityków i prawników, spierających się o kierunki i skutki dalszego rozwoju biotechnologii. W sporach tych nierzadko o opinię proszone są największe autorytety moralne współczesnego świata. Równocześnie osiągnięcia i perspektywy rozwoju firm biotechnologicznych notowanych na światowych giełdach są przedmiotem wnikliwych analiz maklerów, a zmiany kursów akcji codziennie pilnie śledzą ich właściciele.
jakie cząsteczki organiczne są nośnikami informacji genetycznej w komórce;
czym jest gen;
czym jest genom.
Przedstawisz enzymy wykorzystywane w biotechnologii molekularnej (enzymy restrykcyjne, ligaza, polimeraza DNA) i określisz ich funkcje.
Przedstawisz istotę technik stosowanych w inżynierii genetycznej (metoda PCR, sekwencjonowanie DNA i elektroforeza DNA).
Wyjaśnisz, czym jest organizm transgeniczny i GMO.
Przedstawisz sposoby otrzymywania organizmów transgenicznych.
1. Na czym polega inżynieria genetyczna?
Połowa lat 70. dwudziestego wieku to rewolucyjne zmiany w biotechnologii. Wprowadzono do badań techniki inżynierii genetycznejinżynierii genetycznej, polegające na modyfikacji organizmów i komórek poprzez wprowadzenie określonego fragmentu kwasu nukleinowego (DNA) pobranego z organizmu zwanego dawcą do komórek innego organizmu, czyli biorcy.
2. Enzymy restrykcyjne i rekombinacja DNA
Odkrycie molekularnych nożyc, czyli enzymów restrykcyjnychenzymów restrykcyjnych (restryktaz), stało się przełomowym momentem w rozwoju inżynierii genetycznej. Enzymy te są częścią naturalnego systemu obronnego bakterii. W zaatakowanych przez bakteriofagi komórkach niszczą DNA intruza, tnąc go na krótsze fragmenty. Większość enzymów restrykcyjnych rozpoznaje i rozcina odcinki DNA o ściśle określonej kolejności (sekwencji) nukleotydów. Sekwencje te liczą od 4 do 8 nukleotydów, a miejsce przecięcia znajduje się w ich obrębie.
Precyzja i powtarzalność działania enzymów restrykcyjnych sprawiają, że powszechnie stosuje się je do poszukiwania i wyodrębniania genów. Przy ich pomocy można odnaleźć w genomie człowieka fragment DNA z odpowiednim genem i wyciąć go. Wyróżnia się wiele różnych typów enzymów restrykcyjnych. Odpowiednio je dobierając, można otrzymać wybrany fragment kwasu nukleinowego.
Wycięty fragment jest gotowy do utworzenia połączenia z inną cząsteczką DNA. Cząsteczką tą jest wektorwektor - niewielka cząsteczka DNA, zdolna do samodzielnej replikacji i przenosząca inne cząsteczki DNA między komórkami. Najczęściej stosowanymi wektorami są bakteriofagi oraz plazmidyplazmidy – koliste cząsteczki DNA w cytoplazmie bakterii. Wektor zapewnia ochronę wprowadzanego genu, powielanie go, a często również ekspresję jego informacji genetycznej.
Do łączenia ze sobą lepkich końców rekombinowanych cząsteczek DNA stosuje się ligazyligazy – enzymy, których nazwa pochodzi od łacińskiego słowa ligare, czyli włączać. Działają one jak klej: biorą udział w tworzeniu wiązań między fragmentami kwasu nukleinowego i łączą pocięte uprzednio fragmenty. W ten sposób komórki biorcy mogą zawierać dodatkowy, wstawiony fragment DNA. W konsekwencji zmienia się ich materiał genetyczny i nabywają one nowe, pożądane przez człowieka cechy.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1DHmsVqWO76r
Film zatytułowany "Rekombinacja DNA".
Więcej o enzymach restrykcyjnych znajdziesz w e‑materiałach:
Analiza restrykcyjna i elektroforeza DNAAnaliza restrykcyjna i elektroforeza DNA;
Enzymy stosowane w biotechnologii molekularnejEnzymy stosowane w biotechnologii molekularnej.
Więcej o rekombinacji DNA znajdziesz w e‑materiale: Tworzenie zrekombinowanego DNATworzenie zrekombinowanego DNA.
3. Łańcuchowa reakcja polimerazy
Aby móc przenieść wybrane geny do organizmu, trzeba je najpierw zidentyfikować, a potem wyizolować i skopiować. Powielanie genów w warunkach laboratoryjnych odbywa się w trakcie reakcji o nazwie łańcuchowa reakcja polimerazy (w skrócie PCR, od ang. polymerase chain reaction). Metoda ta została opracowana w 1983 r. przez Kary'ego MullisaKary'ego Mullisa, który 10 lat później za swoje odkrycie otrzymał Nagrodę Nobla. Łańcuchowa reakcja polimerazy polega na otrzymaniu dużej liczby kopii pożądanego odcinka DNA. Odbywa się poprzez wielokrotne podgrzewanie i oziębianie mieszaniny, w której znajdują się następujące substancje:
enzym polimeraza DNA;
fragment DNA, który służy jako wzorzec do syntezy nowych nici DNA;
wolne nukleotydy, które zostaną wykorzystane do syntezy kopii DNA;
krótkie fragmenty sekwencji genetycznych identyczne z początkiem i końcem wzorcowego DNA (startery).
Reakcja PCR składa się z wielokrotnie powtarzanych etapów:
rozplecenia podwójnej helisy DNA;
przyłączenia starterów, czyli fragmentów sekwencji genetycznych identycznych z początkiem i końcem wzorcowego DNA; potrzebne są one do rozpoczęcia powielania sekwencji DNA; przyłączają się do wzorcowej nici, żeby polimeraza otrzymała informację, w którym miejscu ma się zacząć i skończyć powielanie;
syntezy nowego DNA.
W ostatnim etapie główną rolę odgrywa enzym polimeraza DNA, który kieruje syntezą nowej nici, komplementarnej do wzorca. Reakcja PCR jest metodą bardzo szybką. W każdym kolejnym cyklu tworzą się nowe cząsteczki, które w następnych cyklach również stają się cząsteczkami wzorcowymi DNA. Z jednej cząsteczki wzorcowego DNA po 20 cyklach otrzymuje się ok. 1 mln kopii, po 30 natomiast ok. 1 mld.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1JpgTSSbPlYG
Film zatytułowany "Reakcja PCR".
PCR ma szerokie zastosowanie w medycynie. Za pomocą tej techniki w badanej próbce można wykryć obecność kwasu nukleinowego konkretnych bakterii, wirusów lub pasożytów.
PCR stosuje się do wykrywania i identyfikowania pasożytów w organizmie, np. owsika ludzkiego. Metoda ta polega na detekcji materiału genetycznego pasożyta w próbkach DNA pobranych z kału.
Za pomocą techniki PCR można wykrywać niektóre nowotwory i inne schorzenia na bardzo wczesnym etapie.
Probówki, w których przeprowadza się reakcję PCR, ze względu na mikrolitrowe objętości składników używanych do reakcji są dużo mniejsze niż probówki stosowane zwykle w laboratorium. Ponadto są zrobione z cienkiego tworzywa, żeby szybko można było ogrzewać i ochładzać próbkę.
Więcej o PCR znajdziesz w e‑materiale: Łańcuchowa reakcja polimerazyŁańcuchowa reakcja polimerazy.
4. Elektroforeza DNA
ElektroforezaElektroforeza DNA to technika wykorzystywana do rozdzielania fragmentów DNA w zależności od ich wielkości.
Więcej o elektroforezie DNA znajdziesz w e‑materiale:
Analiza restrykcyjna i elektroforeza DNAAnaliza restrykcyjna i elektroforeza DNA.
5. Sekwencjonowanie DNA
Sekwencjonowanie DNA to technika umożliwiająca określanie kolejności nukleotydów (zawierających nukleotydy z adeniną, tyminą, cytozyną i guaniną) we fragmencie DNA.
Najbardziej popularną metodą sekwencjonowania jest sekwencjonowanie metodą terminacji łańcucha opracowane przez Fredericka Sangera w 1977 r. Polega ona na przyłączeniu dideoksynukleotydówdideoksynukleotydów do nowo syntetyzowanego DNA, co prowadzi do zahamowania wydłużania nici. W wyniku tego powstaje dużo fragmentów DNA o różnej długości, uzależnionej od tego, który nukleotyd został dołączony do nici DNA na jej końcu. Następnie przeprowadzana jest elektroforeza, która ma na celu pokazanie nukleotydów terminalnych, czyli tych, które znajdują się na końcu każdej z nici DNA.
Więcej o sekwencjonowaniu DNA znajdziesz w e‑materiale: Sekwencjonowanie DNASekwencjonowanie DNA.
W połowie lutego 2001 r. Projekt Poznania Ludzkiego Genomu i firma biotechnologiczna Celera Genomics ogłosili na łamach ,,Nature” i ,,Science” zsekwencjonowanie ludzkiego genomu. Przedstawiono w nim ok. 90% genomowych sekwencji człowieka. Projekt Poznania Ludzkiego Genomu zakończył się w 2003 r. W październiku 2004 r. opublikowano dokument opisujący „ostateczną” sekwencję genomu z trafnością 99,99%.
Więcej o Projekcie Poznania Ludzkiego Genomu znajdziesz w e‑materiale: Genom człowiekaGenom człowieka.
6. Praktyczne zastosowanie inżynierii genetycznej
Pierwszym poważnym sukcesem inżynierii genetycznej było przeniesienie w 1973 r. przez Stanleya CohenaStanleya Cohena i Herberta BoyeraHerberta Boyera ludzkiego genu kodującego insulinę do komórek bakterii, w wyniku czego bakterie zaczęły produkować ludzki hormon. Dzięki tym badaniom wykazano, że informacja genetyczna jest zakodowana w ten sam sposób we wszystkich organizmach. Ponadto rozkodowanie i wykorzystanie informacji genetycznej do wytwarzania białek odbywa się podobnie nawet w przypadku tak daleko spokrewnionych ze sobą organizmów, jak człowiek i bakteria.
Inżynieria genetyczna polega na wprowadzaniu zmian do genomów organizmów w celu nadania im nowych, pożądanych cech. Geny, które są szkodliwe z punktu widzenia człowieka, mogą być eliminowane, a korzystne geny – dodawane. Na przykład konsumenci chcą kupować chudą wieprzowinę, dlatego DNA świń zmienia się w taki sposób, by zwierzęta te wytwarzały mało tłuszczu. Z kolei zmodyfikowane bakterie mają zastosowanie w medycynie, ponieważ są w stanie syntetyzować leki. Wspomnianą wcześniej insulinę dawniej pozyskiwano z trzustek cieląt. Ilość otrzymywanego w ten sposób hormonu była niewielka, a sama metoda bardzo kosztowna. Przeniesienie genu ludzkiej insuliny do genomu bakterii zmusiło je do produkcji tego hormonu, który następnie się odzyskuje, oczyszcza i udostępnia chorym. Produkowana przez bakterie insulina wywołuje znacznie mniej działań niepożądanych niż insulina odzwierzęca.
Inżynieria genetyczna znajduje również zastosowanie w rolnictwie. Dzięki niej możliwe jest uzyskiwanie zmodyfikowanych roślin o unikatowych cechach, np. zbóż odpornych na niekorzystne warunki środowiska lub na choroby. W ten sposób powstają organizmy modyfikowane genetycznie, zwane w skrócie GMOGMO.
Organizmy modyfikowane genetycznie to mikroorganizmy, rośliny lub zwierzęta, które posiadają genom zmieniony przy użyciu metod inżynierii genetycznej. Organizm modyfikowany genetycznie, który oprócz własnych genów, posiada także obcy gen, nazywa się organizmem transgenicznym.
Modyfikowane są głównie te rośliny, które mają duże znaczenie w rolnictwie – zboża i rośliny paszowe. Wskutek modyfikacji otrzymują nowe cechy: ich części jadalne charakteryzują się większą trwałością, lepszym smakiem, bardziej intensywnym zapachem, a całe rośliny – odpornością na szkodniki i choroby.
Za pomocą technik inżynierii genetycznej można również modyfikować zwierzęta. Wytwarza się np. zmodyfikowane zwierzęta o intensywniej działającym hormonie wzrostu, przez co szybko osiągają one duże rozmiary, a to w dłuższej perspektywie pozwala obniżyć koszty ich hodowli.
Inżynierię genetyczną stosuje się także w przemyśle, np. do produkcji enzymów, które wspomagają produkcję żywności lub do przedłużania trwałości produktów. Stosuje się ją także do wytwarzania detergentów, kosmetyków, biopaliw i papieru. Substancje wytwarzane przez mikroorganizmy transformowane genetycznie eliminują użycie środków chemicznych, które szkodzą środowisku. Produkcja z ich udziałem jest przy tym bardziej wydajna i tańsza od tradycyjnych metod produkcji, często też przekłada się na uzyskanie produktów lepszej jakości.
Ponadto inżynieria genetyczna ma duże znaczenie w rozwoju genetyki. Umożliwia bowiem poznanie funkcji pełnionych przez poszczególne geny.
FlavrSavr to nazwa pomidorów, których owoce były pierwszym modyfikowanym genetycznie produktem żywnościowym dopuszczonym do spożycia przez ludzi, dostępnym dla przeciętnego konsumenta. Pomidory te są bardziej odporne na gnicie, ponieważ zawierają przekształcony gen odpowiedzialny za produkcję enzymu rozkładającego ścianę komórkową.
Podsumowanie
Za pomocą enzymów restrykcyjnych możliwe jest wycinanie odcinków kwasu nukleinowego, a za pomocą ligaz – ich łączenie.
Polimeraza DNA odpowiada za katalizowanie syntezy DNA na matrycy DNA.
Reakcja łańcuchowa polimerazy jest sposobem na namnożenie wybranego fragmentu DNA.
Sekwencjonowanie DNA umożliwia określanie kolejności nukleotydów we fragmencie DNA.
Elektroforeza DNA to technika wykorzystywana do rozdzielania fragmentów DNA w zależności od ich wielkości.
Organizm transgeniczny to organizm, który w genomie oprócz własnych genów zawiera obcy gen (transgen), pochodzący od innego organizmu.
GMO (organizm zmodyfikowany genetycznie) to organizm, którego genom został zmieniony przy użyciu metod i technik inżynierii genetycznej w celu uzyskania pożądanych cech.
Organizmy transgeniczne pozyskuje się metodami inżynierii genetycznej, polegającymi na wprowadzaniu do organizmu DNA pochodzącego od obcego organizmu.
Praca domowa
Słownik
nukleotydy nieposiadające grupy hydroksylowej, a jedynie wodór w pozycjach 2’ i 3’ cukru (pentozy)
<span lang='en'>Herbert Boyer</span>
Amerykański biotechnolog, który wraz ze Stanleyem Cohenem wprowadził ludzki gen do komórek bakterii.
<span lang='en'>Stanley Cohen</span>
Amerykański biochemik, który wraz z Herbertem Boyerem wprowadził ludzki gen do komórek bakterii. Za całokształt osiągnięć w badaniach nad komórkami został uhonorowany Nagrodą Nobla w 1986 r.
organizmy modyfikowane genetycznie za pomocą inżynierii genetycznej; mają zmieniony genom np. w wyniku zwielokrotnienia własnych genów lub wprowadzenia do genomu fragmentu DNA pochodzącego z innego organizmu
jedno ze zjawisk elektrokinetycznych polegające na poruszaniu się naładowanych cząsteczek pod wpływem pola elektrycznego; cząsteczki mające na swojej powierzchni ładunek dodatni dążą do elektrody ujemnej, natomiast obdarzone ładunkiem ujemnym – do elektrody dodatniej; jest to także technika rozdziału cząsteczek pod wpływem pola elektrycznego dzięki różnicom w masie i/lub ładunku
białka o aktywności enzymów; enzymy te przecinają cząsteczkę DNA w miejscach o określonej sekwencji nukleotydów
zbiór technik dających możliwość zamierzonego i kontrolowanego wprowadzenia zmiany w genomie lub wprowadzenia genu pobranego z materiału genetycznego jednego organizmu do genomu innego organizmu
grupa enzymów biorących udział w łączeniu fragmentów nici DNA
Kary Mullis
Amerykański biochemik, laureat Nagrody Nobla, który wynalazł metodę PCR umożliwiającą kopiowanie fragmentów DNA.
zamknięta kolista cząsteczka DNA występująca u bakterii
niewielka cząsteczka DNA zdolna do replikacji w komórce biorcy; podstawowe narzędzie inżynierii genetycznej; może zostać zrekombinowany przez włącznie do niego fragmentu innej cząsteczki DNA, która po wprowadzeniu do komórek gospodarza będzie w nich powielana i poddawana ekspresji; do komórek ssaków wektory można wprowadzać za pośrednictwem wirusów
Zadania
Połącz w pary nazwy i odpowiadające im objaśnienia.
komórka biorcy, inżynieria genetyczna, enzymy restrykcyjne, wektor
| technika pozwalająca na wprowadzanie zmian w genomie | |
| białka umożliwiające przecięcie nici DNA | |
| nośnik fragmentu DNA | |
| komórka, do której zostanie wprowadzony obcy gen |
Wskaż poprawne zakończenia zdania. Enzymy restrykcyjne są potrzebne do
- wycięcia genu, który ma zostać przeniesiony do organizmu biorcy.
- rozcięcia DNA w celu włączenia przenoszonego genu.
- skopiowania genu, który ma otrzymać biorca.
- wyłączenia funkcji genu.
Kukurydza Bt to roślina genetycznie modyfikowana. Zawiera gen pochodzący z bakterii Bacillus thuringiensis, który jest odpowiedzialny za produkcję toksycznego dla szkodników białka.
