Przeczytaj

Organizmy modyfikowane genetycznie – GMOorganizmy modyfikowane genetycznie (GMO)Organizmy modyfikowane genetycznie – GMO (ang. Genetically Modified Organisms) to mikroorganizmy, rośliny lub zwierzęta, które posiadają genomgenomgenom zmieniony przy użyciu metod i technik inżynierii genetycznejinżynieria genetycznainżynierii genetycznej. Modyfikacje materiału genetycznego mogą obejmować: mutacje genu własnego, wprowadzenie dodatkowej kopii genu własnego lub wprowadzenie obcego genu pochodzącego od innego organizmu. Organizm modyfikowany genetycznie, który oprócz własnych genów posiada także obcy gen, nazywa się organizmem transgenicznymorganizmy transgeniczneorganizmem transgenicznym. Skutkiem modyfikacji genetycznych są nowe cechy i właściwości metaboliczne organizmów.

bg‑orange

Mikroorganizmy modyfikowane genetycznie

Mikroorganizmy modyfikowane genetycznie – GMMmikroorganizmy modyfikowane genetycznie (GMM)Mikroorganizmy modyfikowane genetycznie – GMM (ang. Genetically Modified Microorganisms) to mikroorganizmy, których genom został zmieniony przy użyciu metod i technik inżynierii genetycznej. Zmiany w genomie mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie są sztucznie wywołane i nie wynikają z naturalnych procesów rozmnażania i rekombinacji.

Najczęściej modyfikowanymi genetycznie mikroorganizmami są bakterie – pałeczki okrężnicy (Escherichia coli) i grzyby – drożdże piekarskie (Saccharomyces cerevisiae).

R3XNA1IvzwvQx1
Zdjęcia mikroskopowe przedstawiają bakterie Escherichia coli drożdże piekarskie. Nazwa bakterii Escherichia coli, pałeczki okrężnicy, nawiązuje do pałeczkowatego kształtu mikroorganizmów. Niektóre z pałeczek są ze sobą połączone inne występują pojedynczo. Kolonia bakterii na mikrofotografii jest bardzo liczna. Mikroorganizmy mają gładką powierzchnię, na której występują niewielkie zagłębienia. Są ułożone nierównomiernie, różnią się pomiędzy sobą długością. Jednak ich szerokość jest podobna, niewielka. Średnica bakterii to dwa mikrometry. Bakteria stanowiąca składnik mikroflory jelita grubego człowieka. Organizm symbiotyczny, produkujący witaminę K i witaminy z grupy B. W stanach obniżonej odporności lub bytności w innym układzie niż pokarmowy, wykazuje działanie chorobotwórcze dla człowieka. Drugie zdjęcie mikroskopowe przedstawia drożdże piekarskie. To kuliste workowce. Na swoim ciele zawierają okrągłe wypustki od dwóch do czterech. Na zdjęciu mikroskopowym występują bardzo licznie. Jeden organizm przylega do drugiego w sposób nieregularny. Średnica jednego jednokomórkowego grzyba to pięć mikrometrów. Jednokomórkowe grzyby w sprzyjających warunkach rozmnażają się bezpłciowo przez pączkowanie. Mikroorganizmy kosmopolityczne, szeroko rozprzestrzenione na kuli ziemskiej. Występują na powierzchni owoców, w sokach roślinnych, w glebie i w odchodach zwierząt.

W nowoczesnej biotechnologii mikroorganizmy stanowią częsty obiekt badań w zakresie modyfikacji genetycznych, co wynika między innymi z:

  • dużej wiedzy na temat budowy, metabolizmu i genetyki tych organizmów

  • łatwo dostępnego materiału badawczego

  • niskich kosztów hodowli

  • stosunkowo prostych i skutecznych metod modyfikacji genetycznych

  • krótkiego czasu rozmnażania

  • powstawania stosunkowo dużej liczby identycznych genetycznie komórek potomnych

  • krótkiego czasu oczekiwania na rezultaty doświadczeń

bg‑orange

Cel modyfikacji genetycznych mikroorganizmów

Celem modyfikacji genetycznych mikroorganizmów jest uzyskanie szczepów komórek bakterii i drożdży, które posiadają nową cechę. Obecność nowej właściwości metabolizmu komórek mikroorganizmu sprawia, że może ona znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach życia człowieka, np. w medycynie, przemyśle, ochronie środowiska.

bg‑orange

Metody modyfikacji genetycznych mikroorganizmów

Mikroorganizmy modyfikowane genetycznie uzyskuje się metodami inżynierii genetycznej z wykorzystaniem wektorów. Nośnikami hybrydowego DNAhybrydowe DNAhybrydowego DNA są plazmidy i bakteriofagi.

bg‑gray1
Metoda transformacji z wykorzystaniem plazmidu

W komórkach bakterii na terenie cytoplazmy występują krótkie, koliste cząsteczki DNA, tzw. plazmidy. Obecne w nich geny są odpowiedzialne między innymi za oporność bakterii na antybiotyki, jony metali ciężkich i promieniowanie ultrafioletowe. Geny zawarte w plazmidach nie są niezbędne do funkcjonowania komórek bakterii, ale znacznie zwiększają szansę na przeżycie. Plazmidy wykorzystywane są jako wektory obcego genu, tzw. transgenutransgentransgenu.

R1WSJ7p9uSPT41
Schemat interaktywny przedstawia w pięciu krokach rekombinację genetyczną z użyciem bakteryjnego plazmidu. Cyfrą jeden oznaczono wyodrębnienie plazmidu z komórki bakterii. Bakteria na schemacie ma owalny kształt, a sam plazmid przypomina okrąg. W kolejnym etapie rekombinacji rozcięto koliście zamkniętą cząsteczkę plazmidu za pomocą enzymów restrykcyjnych. Na schemacie ten etap to cyfra dwa. Następnie wyizolowano transgen z materiału genetycznego dawcy za pomocą tych samych enzymów restrykcyjnych. To był krok trzeci. W czwartym etapie połączono transgen i plazmid za pomocą tak zwanych lepkich końców, czyli jednoniciowego zakończenia wystającego z dwuniciowych liniowych cząsteczek DNA i powstanie hybrydowego DNA. Ostatnim etapem rekombinacji genetycznej jest transformacja komórki bakterii za pomocą zrekombinowanego plazmidu i nabycie nowej cechy. Zrekombinowany plazmid został znowu wprowadzony do komórki bakteryjnej. Ten etap to na schemacie cyfra pięć. Kolorami zielonym, pomarańczowym i niebieskim zaznaczono zmiany zachodzące w trakcie procesu rekombinacji w cząsteczce plazmidu.
Schemat rekombinacji genetycznej z użyciem bakteryjnego plazmidu.
Źródło: Englishsquare Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑gray1
Metoda transfekcji z wykorzystaniem bakteriofaga

Bakteriofagi to wirusy atakujące wyłącznie komórki bakterii. Fagi przenoszące obcy gen, infekują komórki bakterii wstrzykując do ich wnętrza hybrydowe DNA. W wyniku połączenia hybrydowego DNA z bakteryjnym DNA dochodzi do modyfikacji genetycznej i powstania mikroorganizmu zmodyfikowanego genetycznie. Wykorzystanie bakteriofagów, jako wektorów hybrydowego DNA umożliwia przeniesienie większych fragmentów DNA niż w metodzie z użyciem plazmidów.

R1NpfpkTD4Gad
Rysunek przedstawia budowę bakteriofagu. Poszczególne części kapsydu zostały oznaczone kolejnymi cyframi od jeden do cztery. Kapsyd wirusa składa się z główki, ogonka, płytki i włókienek białkowych. Bakteriofag na rysunku posiada wykazującą symetrię główkę, mającą kształt wielościanu foremnego. W główce znajduje się DNA. Główka połączona jest z ogonkiem, który ma rurowaty kształt, jest kurczliwy. Przypomina sprężynę. Ogonkiem wirus przyczepia się do komórki bakteryjnej i cała zawartość główki przechodzi do bakterii. U podstawy ogonka bakteriofagu znajduje się podstawka, z której odchodzą włókienka białkowe. Mają nitkowaty kształt. Rysunek przedstawia jedną z wielu form morfologicznych wirusa, który atakuje komórki bakterii.
Bakteriofag – wirus atakujący komórki bakterii. Nie wszystkie bakteriofagi są zbudowane jak to przedstawiono na rycinie. To tylko jedna z wielu form morfologicznych fagów. Kapsyd wirusa składa się z główki, ogonka,płytki i włókienek białkowych. Podczas infekcji bakteriofag za pomocą włókienekbiałkowych rozpoznaje komórkę gospodarza, a dzięki płytce przyczepia się do ścianykomórkowej bakterii. Kurczliwy ogonek wstrzykuje materiał genetyczny wirusa do wnętrzakomórki gospodarza. Wektorem wirusowym infekującym komórki bakterii Escherichia colijest bakteriofag lambda (λ). Bakteriofag lambda to tylko jeden z wielu bakteriofagów używanych jako wektory.
Źródło: Pixabay, domena publiczna.
bg‑gray2
1
Dla zainteresowanych

Do modyfikacji genetycznych bakterii wykorzystywane są także kosmidy – sztuczne wektory powstałe z połączenia: plazmidu zawierającego obcy gen z sekwencją cossekwencja cossekwencją cos bakteriofaga lambda. Obecność sekwencji cos sprawia, że cząsteczka DNA przyjmuje formę kolistą. W warunkach in vitro kosmid rozpoznawany jest przez białka pakujące DNA jako „genom faga”, co umożliwia jego zapakowanie w kapsydy. Bakteriofagi z hybrydowym DNA infekują komórki bakterii. Wewnątrz komórek gospodarza kosmid nie łączy się z genoforem bakterii, tylko zachowuje się jak plazmid. Wykorzystanie kosmidów, jako wektorów hybrydowego DNA umożliwia wprowadzanie i klonowanie dłuższych fragmentów obcego DNA niż w przypadku typowych plazmidów.

bg‑orange

Przykłady modyfikacji genetycznych mikroorganizmów

Modyfikacje genetyczne mikroorganizmów pozwoliły uzyskać szczepy bakterii i drożdży posiadających nowe cechy – nowe zdolności metaboliczne, które znajdują zastosowanie w produkcji wysokiej jakości: hormonów, leków czy enzymów.

bg‑gray1
Modyfikacje genetyczne pałeczki okrężnicy (Escherichia coli)

Somatotropina jest hormonem produkowanym przez przysadkę mózgową, odpowiedzialnym za prawidłowy wzrost i rozwój organizmu człowieka. Objawem niedoboru jest bardzo niski wzrost. Karłowatość przysadkową leczy się podając dożylnie somatotropinię. Dawniej hormon wzrostu pozyskiwano z ludzkich zwłok, jednak uzyskiwano niewielkie ilości substancji często zanieczyszczone chorobotwórczymi mikroorganizmami. Obecnie somatotropinię produkują zmodyfikowane genetycznie bakterie Escherichia coli, które oprócz własnych genów zawierają w swoim genomie ludzki gen, odpowiedzialny za produkcję somatotropiny.

R80RTwqDnrrlT1
Przysadka mózgowa to niewielki gruczoł dokrewny zlokalizowany w zagłębieniu kości klinowej, nieco poniżej podwzgórza, z którym łączy się za pomocą struktury zwanej lejkiem. Jej zadaniem jest kontrola pozostałych gruczołów międzywydzielniczych, ale też integracja ich działania z impulsami nerwowymi. Składa się z części przedniej oznaczonej cyfrą jeden i części tylnej oznaczonej cyfrą dwa. Płat przedni przysadki mózgowej zwany gruczołowym powstaje z komórek nabłonka pierwotnej jamy ustnej. U człowieka płat przedni zbudowany jest z trzech części głównej, guzowej i pośredniej. Część główną tworzą zróżnicowane komórki nabłonkowe oraz komórki macierzyste. Komórki gruczołowe zorganizowane są w gniazda i pasma nabłonkowe, rozgałęziające się wśród sieci naczyń włosowatych, od których oddzielone są cienką błoną podstawną. Część guzowa jest bardzo silnie unaczyniona. Pokrywa ona szypułę przysadki aż do dolnej granicy lejka. Część zaś pośrednia u człowieka ma postać szczątkową. Płat tylny, to część nerwowa, zbudowana jest z tkanki glejowej, której komórki są tu nazywane pituicytami. Występują tu też pochodzące z podwzgórza bezrdzenne włókna nerwowe, w postaci pęczka nadwzrokowo-przysadkowego. Wzdłuż niego zlokalizowane są drobne ziarnistości zwane ciałkami Herringa. Jest to produkt neurosyntezy komórek jąder nadwzrokowych podwzgórza, których aksony kończą się w przysadce. Wydzielina ta zawiera hormony tylnego płata przysadki. Cyfrą trzy oznaczono wzgórze mózgowe człowieka. Jest największym skupiskiem istoty szarej w międzymózgowiu. Nazywane jest wrotami mózgu, ponieważ pośredniczy między ośrodkami znajdującymi się w rdzeniu a korą mózgową. Wzgórze jest parzystą strukturą o owalnym kształcie, znajdującą się w dolnej części wzgórzomózgowia. Odpowiada za wstępną ocenę bodźców zmysłowych i przesyłanie ich do kory mózgowej (oprócz węchu). Pełni kluczową rolę w integracji informacji czuciowych i ruchowych, w procesach uwagi i kontrolowania dostępu do danych czuciowych. Cyfrą cztery oznaczono podwzgórze mózgowe człowieka. To część podkorowa mózgowia zaliczana do międzymózgowia. Znajduje się między podstawną częścią kresomózgowia a brzuszną częścią śródmózgowia, poniżej wzgórza. Wielkością jest porównywalna do orzecha włoskiego. Podwzgórze odpowiada za wiele procesów zachodzących w naszym organizmie. W podwzgórzu dochodzi do komunikacji układu nerwowego i hormonalnego. Integruje działalność trzech różnych układów: somatycznego układu nerwowego, wegetatywnego układu nerwowego i układu hormonalnego. Lejek znajdujący się nieco poniżej podwzgórza został oznaczony cyfrą pięć.
Przysadka mózgowa – gruczoł dokrewny położony wewnątrz czaszki i funkcjonalnie powiązany z częścią mózgu, tzw. podwzgórzem. Składa się z trzech części: przedniej, środkowej i tylnej. Część przednia i środkowa produkują i wydzielają hormony, natomiast część tylna magazynuje i wydziela hormony wyprodukowane przez podwzgórze.
Źródło: OpenStax College - Anatomy & Physiology, Wikimedia Commons, licencja: CC BY 3.0.
Rw0f3kwCg4BHT1
Zdjęcie przedstawia zakorkowane lekarstwa, które leżą na szarym obrusie. Znajdują się one w szklanych fiolkach z korkiem. Opatrzone są kolorowymi etykietami z napisami. Buteleczki mają kształt walca zamkniętego u dołu, a u góry stożkowato zwężającego się tak, że otwarty wylot butelki, tak zwana szyjka, ma znacznie mniejszą średnicę, niż średnica walca.
Insulina – hormon peptydowy składający się z dwóch łańcuchów A i B, połączonych dwomamostkami disiarczkowymi, produkowany przez komórki beta (β) wysp trzustkowych.Pierwszy lek wytworzony w oparciu o metody i techniki inżynierii genetycznej. W 1982 rokudopuszczony do leczenia cukrzycy u ludzi.
Źródło: Wikimedia Commons, domena publiczna.

Insulina jest hormonem produkowanym przez trzustkę, odpowiedzialnym za regulację stężenia glukozy we krwi człowieka. Objawem niedoboru jest wysoki poziom cukru we krwi. Cukrzycę II typu leczy się podając dożylnie insulinę. Dawniej hormon ten pozyskiwano z trzustek bydlęcych i świńskich. Jednak zwierzęca insulina, choć bardzo podobna do ludzkiej, różni się od niej kilkoma aminokwasami. Dlatego po dłuższym stosowaniu zwierzęcej insuliny dochodziło do uczulenia organizmu człowieka i wystąpienia objawów alergii. Obecnie insulinę produkują zmodyfikowane genetycznie bakterie Escherichia coli, które oprócz własnych genów zawierają w swoim genomie ludzi gen, odpowiedzialny za produkcję insuliny.

Zmodyfikowane genetycznie bakterie są ponadto wykorzystywane do tworzenia bibliotek genów, tzw. banków genów. Są to zestawy sklonowanych fragmentów DNA składających się na kompletny genom lub pełny zestaw produktów transkrypcji danego organizmu. Powstają w wyniku klonowania DNA chromosomalnego (biblioteka genomowa) lub cDNA (biblioteka cDNA) w wektorach genetycznychwektory genetycznewektorach genetycznych. W pierwszym przypadku bank genów obejmuje cały materiał genetyczny danego gatunku, a w drugim jest ograniczony do genów aktywnych w danej tkance i w danym stadium rozwojowym. Najczęściej bank genów stanowi materiał wyjściowy do poszukiwania i izolacji genu.

bg‑gray1
Modyfikacje genetyczne drożdży (Saccharomyces cerevisiae)

Hirudyna jest białkiem produkowanym przez pasożytnicze gatunki pijawek, zapobiegającym krzepnięciu krwi żywiciela. Do genomu drożdży wprowadzono gen pijawki kodujący hirudynę. Obecnie zmodyfikowane genetycznie drożdże na dużą skalę syntetyzują hirudynę, wykorzystywaną do produkcji leków przeciwzakrzepowych. Leki te stosowane są po zabiegach operacyjnych i mają na celu przeciwdziałanie powstawaniu zakrzepów w naczyniach krwionośnych.

R1rnXxUvseg9K1
Zdjęcie przedstawia pijawkę lekarską. Ma ciało cylindryczne, spłaszczone grzbietobrzusznie złożone z licznych segmentów, stąd nazwa typu zwierzęcia - pierścienica. Wypukły grzbiet ma ubarwienie brązowo czarne ze złotymi smugami biegnącymi wzdłuż ciała. Otwór gębowy zakończony jest okrągłą przyssawką. Długość ciała osiąga od dziesięciu do piętnastu centymetrów. Po najedzeniu pijawka lekarska zwiększa masę i objętość ciała aż pięciokrotnie. Pijawki atakują płazy, ssaki i gady.
Pijawka lekarska (Hirudo medicinalis) to gatunek ziemno‑wodnej pijawki, występujący wzachodniej, środkowej i wschodniej części Europy. Zasiedla słodkowodne zbiorniki wódstojących lub wolno płynących. Prowadzi pasożytniczy tryb życia – odżywia się krwiąkręgowców. Na ciele żywiciela pozostawia charakterystyczny trójpromienisty ślad. Krewżywiciela w czasie pobierania i przechowywania w uchyłkach przewodu pokarmowego – nieulega krzepnięciu, dzięki hirudynie obecnej w ślinie pijawki.
Źródło: Robyn Jay, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 2.0.
R1aIAYTzy8v1L1
Zdjęcie mikroskopowe przedstawia budowę wirusa HBV o nieregularnym kształcie. Wewnątrz otoczki wirusa znajduje się DNA. Ten groźby wirus prowadzący do zapalenia wątroby jest pokryty przez drobne przypominające białe punkty struktury.
Wirus HBV – wirus zapalenia wątroby typu B. Cząstka wirusa posiada białkowo‑lipidowąotoczkę okrywającą białkowy kapsyd, wewnątrz którego znajduje się cząsteczka DNA.
Źródło: Centers for Disease Control and Prevention's Public Health Image Library (PHIL), Wikimedia Commons, domena publiczna.

Wirus HBV wywołuje u ludzi zapalenie wątroby typu B, które może prowadzić do marskości wątroby i rozwoju nowotworu wątroby. Skuteczną metodą ochrony przed poważnymi skutkami zakażenia wirusem HBV jest szczepienie. Dawniej szczepionkę produkowano na bazie surowicy krwi osób chorych na zapalenie wątroby typu B. Jednak dostępność takiej szczepionki nie była duża z uwagi na ograniczenia związane z: dostępnością surowicy i koniecznością stosowania silnych konserwantów dezaktywujących cząstki wirusa. Dzięki inżynierii genetycznej do genomu drożdży wprowadzono gen wirusa kodujący jedno z białek wirusowego kapsydu. Obecnie zmodyfikowane genetycznie drożdże na dużą skalę syntetyzują białko wirusa, które wykorzystywane jest do produkcji szczepionki przeciwko HBV.

Modyfikacje genetyczne mikroorganizmów znalazły zastosowanie również w przemyśle, gdzie wykorzystywane są do produkcji enzymów, witamin, czy detergentów. Również zdolność modyfikowanych genetycznie bakterii i drożdży do rozkładu zanieczyszczeń i odpadów, może zostać wykorzystana w ochronie środowiska.

Słownik

genom
genom

kompletny zestaw informacji genetycznej danego organizmu lub wirusa

hybrydowe DNA
hybrydowe DNA

zrekombinowane DNA; cząsteczka DNA powstała w wyniku łączenia fragmentów materiałów genetycznych pochodzących od różnych organizmów

inżynieria genetyczna
inżynieria genetyczna

dział nowoczesnej biotechnologii, zajmujący się modyfikacjami genetycznymi organizmów; zbiór metod i technik umożliwiających wprowadzanie zmian w DNA w warunkach in vitro oraz in vivo w celu uzyskania dziedzicznych zmian w komórkach lub całych organizmach; skutkiem manipulacji genetycznych są organizmy o nowych cechach i właściwościach metabolicznych

mikroorganizmy modyfikowane genetycznie (GMM)
mikroorganizmy modyfikowane genetycznie (GMM)

mikroorganizmy, u których materiał genetyczny został zmieniony przy zastosowaniu technik inżynierii genetycznej

organizmy modyfikowane genetycznie (GMO)
organizmy modyfikowane genetycznie (GMO)

organizmy, których genom został zmieniony przy użyciu metod i technik inżynierii genetycznej w celu uzyskania nowych cech fenotypu

organizmy transgeniczne
organizmy transgeniczne

organizmy modyfikowane genetycznie, które oprócz własnych genów posiadają także geny obce

sekwencja cos
sekwencja cos

sekwencja odpowiedzialna za „pakowanie” DNA w kapsyd wirusa, co umożliwia zapakowanie rekombinacyjnych kosmidów w układzie in vitro w kapsydy bakteriofaga lambda

transgen
transgen

obcy gen wyizolowany z genomu dawcy i przenoszony do komórki biorcy, nadający jej nowe cechy i właściwości metaboliczne

wektory genetyczne
wektory genetyczne

twór wykorzystywany w inżynierii genetycznej do przenoszenia wyizolowanego genu dawcy do komórki biorcy; w modyfikacjach genetycznych mikroorganizmów wykorzystywane są między innymi: plazmidy, bakteriofagi, kosmidy

Wprowadzenie
Film samouczek