Świecące bakterie, które tworzą piksele telewizorów, szczepionka w sałacie, mikropociski służące do wprowadzania DNA do komórek – czy to pomysły rodem z filmów science fiction? Już nie. We współczesnym świecie możliwe są rzeczy, o których kiedyś ludzie mogli tylko marzyć.

R13puqkXIW27J1

Fotografia przedstawia jasnozielone sadzonki sałaty na grządce. Jej liście zawierają szczepionkę przeciw wirusowemu zapaleniu wątroby typu B.

1. Metody modyfikacji organizmów

Chcąc zmodyfikować genetycznie organizm (np. sprawić, by bakteria produkowała insulinę), trzeba najpierw z DNA organizmu wytwarzającego ten hormon wyciąć fragment kodujący właściwe białko. Wycięty fragment DNA umieszcza się następnie w wektorze genetycznymwektor genetycznywektorze genetycznym, którym może być wirus lub plazmidplazmidplazmid. Plazmidy są to cząsteczki kwasu nukleinowego występujące w komórce bakterii poza jej „chromosomem”, zdolne do samodzielnej replikacji. Taki wektor wprowadza się do organizmu biorcy (w opisywanym przykładzie do komórki bakterii), który zaczyna produkować białka zakodowane w swoim genomie oraz białko zakodowane w plazmidzie.

RKbWxgrB9uSsb1

Ilustracja przestawia rysunek przekroju przez komórkę bakterii w kolorze liliowym. Wewnątrz komórki ukazano dwie szare struktury. Ta z lewej jest mocno zwinięta i symbolizuje tak zwany chromosom bakterii. Z prawej przedstawiono koła różnej wielkości, oznaczające DNA plazmidowe.

RI02sohvhpxsP1

Ilustracja przestawia dwie fioletowe kuliste struktury z wypustkami, oznaczające wirusy. Po prawej ukazano roślinę z korzeniami w glebie. W pierwszym wirusie znajduje się pomarańczowa linia, oznaczająca jego DNA. W drugim wirusie pomarańczowa linia ma zieloną wstawkę, czyli obcy gen. Czerwona strzałka wskazuje wprowadzenie zmodyfikowanego wirusa do rośliny. Zaczyna ona produkować obce białka.

Kolejną możliwością wprowadzenia obcego DNA do komórki jest elektroporacjaElektroporacjaelektroporacja stosowana w inżynierii genetycznej od lat 80. ubiegłego wieku. W tej metodzie używa się serii impulsów elektrycznych powodujących powstawanie porów w błonie komórkowej, przez które obce DNA może wniknąć do komórki przeznaczonej do modyfikacji genetycznej. Elektroporację wykorzystuje się także w leczeniu nowotworów, w przypadku których utrudnione jest wnikanie leków do guza nowotworowego.

RiY46CUhuhJqH1

Ilustracja przestawia cztery schematyczne komórki w formie szarego koła z ciemniejszym jądrem. Błona komórkowa też jest ciemno szara. Pierwsza komórka ma całą błonę komórkową. Strzałka wskazuje umieszczenie komórki między dwoma liniami – elektrodami. Impulsy elektryczne spowodowały przerwanie błony komórkowej w wielu miejscach. Kolejny rysunek za strzałką przedstawia komórkę z porami w błonie w otoczeniu kolorowych nici DNA. Ostatni rysunek przedstawia komórkę, do wnętrza której przez pory w błonie wniknęło obce DNA.i

MikrowstrzeliwanieMikrowstrzeliwanieMikrowstrzeliwanie to metoda polegająca na wprowadzaniu do komórek małych kulek (najczęściej złotych lub wolframowych) oblepionych DNA, które pełnią rolę pocisków. Kulki, rozpędzone do dużych prędkości (nawet do kilku m/s) przez tzw. armatkę genowąArmatka genowaarmatkę genową (lub strzelbę genową), przenikają przez błonę komórkową i wbijają się do wnętrza komórek, wprowadzając do nich obcy materiał genetyczny. Następnie zbombardowane komórki są hodowane. Po pewnym czasie sprawdza się, czy DNA zostało wbudowane do genomu. Niestety, mikrowstrzeliwanie ma pewne mankamenty – armatki sporo kosztują, a metoda nie jest zbyt wydajna, gdyż powoduje liczne uszkodzenia mechaniczne komórek.

RbjplCOr52g3N1

Ilustracja przestawia schematyczne rysunki i fotografię z mikroskopu elektronowego kulek pyłu metalowego. Z lewej zielone DNA jest umieszczane w małej probówce. Dodaje się do niej także żółte kulki metalowego pyłu. DNA przylepia się do kulek metalu. Za pomocą tak zwanej armatki genowej, ukazanej jako szary podłużny kształt wbija się kulki z DNA do komórek.

2. Zastosowanie organizmów modyfikowanych genetycznie

Biotechnologia wykorzystuje mikroorganizmy do wytwarzania m.in. białek, hormonów, witamin. Obecnie do produkcji jednego z ludzkich hormonów – insuliny, regulującej poziom cukru we krwi używa się drożdży posiadających gen odpowiedzialny za produkcję tego białka (uzyskanych metodami inżynierii genetycznej).

Ludzki hormon wzrostu to kolejny przykład substancji wytwarzanej przez zmodyfikowane genetycznie mikroorganizmy. Hormon ten podaje się dzieciom cierpiącym na karłowatość, których przysadka mózgowa nie jest w stanie produkować go w wystarczającej ilości. Takie działanie pozwala zapobiec rozwojowi choroby lub osłabić jej efekty.

Inną substancją wytwarzaną dzięki modyfikacji genetycznej jest hirudynaHirudynahirudyna – substancja wytwarzana przez pijawki, wpływająca na obniżenie krzepliwości krwi. Stosowana jest u chorych na zakrzepicę lub choroby zatorowe naczyń krwionośnych. Zapobiega sklejaniu się płytek krwi i likwiduje zakrzepy blokujące przepływ krwi i prowadzące do obrzęku. Możliwość przeniesienia genu odpowiedzialnego za powstawanie hirudyny z pijawek do mikroorganizmów pozwoliła na przemysłową produkcję tego leku.

R1adxIsaiDDM31

Ilustracja przedstawia różowe sylwetki nóg człowieka, z wrysowanymi kośćmi i żyłami. Noga po lewej jest zdrowa. W nodze po prawej u góry żółtym kolorem ukazano zakrzepy, blokujące żyłę. Noga na dole jest zaczerwieniona i obrzęknięta.

Niezmiernie ważnym dla człowieka zastosowaniem organizmów genetycznie modyfikowanych jest możliwość tworzenia szczepionek. W 2013 r. powstała pierwsza szczepionka przeciwko grypie, która zawiera białka pozyskane z komórek owadów. Czas produkcji takiej szczepionki jest krótszy niż w przypadku stosowanych wcześniej metod, co ma ogromne znaczenie w sytuacji, kiedy wirus grypy podlega licznym mutacjom.

Profesor Andrzej LegockiAndrzej LegockiLegocki wyhodował w Polsce sałatę zawierającą szczepionkę przeciw wirusowemu zapaleniu wątroby typu B (WZW typu B). Do jej otrzymania użył bakterii powodującej choroby roślin, która wykazuje możliwość wprowadzenia do genomu komórek roślinnych obcego DNA. Za pomocą tej bakterii umieścił w komórkach sałaty geny kodujące białka, występujące na powierzchni wirusa, który powoduje WZW typu B. Pierwsza faza badań została przeprowadzona na myszach, którym podano zmodyfikowaną sałatę. W ten sposób do organizmów zwierząt dostarczono substancje pozwalające im skuteczniej zwalczać infekcję spowodowaną wirusem zapalenia wątroby i uniknąć tej choroby.

R13puqkXIW27J1

Fotografia przedstawia jasnozielone sadzonki sałaty na grządce. Jej liście zawierają szczepionkę przeciw wirusowemu zapaleniu wątroby typu B.

3. Żywy wyświetlacz

W 1979 r. dwaj uczeni, Kenneth Nealson i John Hastings, odkryli zjawisko bioluminescencji. Występuje ono m.in. u bakterii oceanicznych, które podczas dużego zagęszczenia emitują światło. Gdy bakterie znajdują się w licznej grupie, wydzielają gaz synchronizujący i regulujący natężenie świecenia. Wysnuto hipotezę, że bakterie pozostające w dużym zagęszczeniu świecą, dając sobie sygnał do zaprzestania rozmnażania. Bowiem przy zbyt dużej liczebności zagraża im brak pokarmu i samozatrucie toksycznymi substancjami wydzielanymi przez nie do oceanu. Mogłoby to doprowadzić do wymarcia całej ich populacji.

REzIk88JnjEXo1

Fotografia przedstawia nadmorski krajobraz wieczorem. Na pierwszym planie ciemne skały, w głębi światła miasta, na górze liliowe niebo z chmurami. W morzu z prawej wznosi się fala w niebieskim neonowym kolorze. To zabarwienie wywołały bakterie bioluminescencyjne.

Grupa naukowców z Uniwersytetu w Kalifornii wykorzystała zjawisko bioluminescencji do stworzenia wyświetlacza. Do genomu bakterii E. coli pochodzącej z jelita człowieka wprowadzono gen odpowiedzialny za produkcję fluorescencyjnego białka. Dzięki temu bakterie zaczęły świecić niebieskim światłem. Stworzony z nich ekran składa się z tysięcy biopikseli, z których każdy tworzą świecące bakterie.

RyRiJApz3pdug1

Fotografia z prawej przedstawia zbliżenie człowieka w białym fartuchu i rękawiczkach. Znajduje się w pomieszczeniu pełnym szklanych rurek oraz innego sprzętu. Człowiek trzyma czarno – pomarańczowe urządzenie. W głębi świecące na niebiesko elementy. Fotografia prawa przedstawia ekran pełen niebieskich plamek na czarnej kratce. To świecące na niebiesko bakterie, z których naukowcy złożyli „żywy ekran”.

Podsumowanie

• Do wprowadzania obcych genów do komórek wykorzystuje się metody wektorowe i bezwektorowe.

• Wykorzystując mikroorganizmy, można uzyskać przydatne dla człowieka substancje (np. leki).

• Obecnie możliwe jest wyprodukowanie roślin, których komórki zawierają szczepionki.

• Komórki owadów są używane do produkcji szczepionek przeciwko grypie.

Słowniczek

Andrzej Legocki

R10oxTlb8WbaV1

Fotografia przedstawia starszego mężczyznę na tle ściany budynku.

Andrzej Legocki

ur. 21.10.1939

Polski naukowiec, biochemik, profesor nauk przyrodniczych, który zmodyfikował genetycznie sałatę w taki sposób, by jej komórki produkowały szczepionkę przeciwko wirusowemu zapaleniu wątroby typu B.

Zadania