Organizmy zmodyfikowane genetycznie

Współcześnie znane odmiany roślin uprawnych i ozdobnych oraz rasy zwierząt hodowlanych powstały w wyniku celowych działań człowieka, który krzyżował ze sobą osobniki o określonych cechach. Selekcja ta miała na celu utrwalenie u potomstwa cech przedstawiających wartość użytkową. Udoskonalanie organizmów na drodze krzyżowania jest procesem długotrwałym i dotyczy cech już istniejących wśród osobników danego gatunku.

Współcześnie, dzięki osiągnięciom nowoczesnej biotechnologii, manipulacja informacją genetyczną organizmów odbywa się na poziomie molekularnym i dotyczy pojedynczych genów. Metody i techniki inżynierii genetycznej dają możliwość otrzymywania w stosunkowo krótkim czasie organizmów o takich cechach, które bez ingerencji człowieka, w sposób naturalny, nigdy by w przyrodzie nie powstały.

Organizmy modyfikowane genetycznie – GMO (ang. Genetically Modified Organisms) to mikroorganizmy, rośliny lub zwierzęta, które posiadają genom zmieniony przy użyciu metod i technik inżynierii genetycznej. Modyfikacje materiału genetycznego mogą obejmować: 

• wyciszanie genu własnego - skutkiem jest brak produktów ekspresji genu i w efekcie niezachodzenie danego szlaku metabolicznego;

• wprowadzenie dodatkowej kopii genu własnego - skutkiem jest zwiększenie produkcji danego białka dzięki czemu określona cecha ulega wzmocnieniu;

• wprowadzenie obcego genu pochodzącego od innego gatunku tzw. transgenu - w konsekwencji organizm ujawnia nową cechę, niewystępującą naturalnie u niego.

Mikroorganizmy modyfikowane genetycznie

Mikroorganizmy modyfikowane genetycznie – GMM (ang. Genetically Modified Microorganisms) to mikroorganizmy, których genom został zmieniony przy użyciu metod i technik inżynierii genetycznej. 

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

Metody modyfikacji genetycznych mikroorganizmów

Mikroorganizmy modyfikowane genetycznie uzyskuje się metodami inżynierii genetycznej z wykorzystaniem wektorów: plazmidów i bakteriofagów, które są nośnikami hybrydowego DNAhybrydowe DNAhybrydowego DNA.

Wykorzystanie mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie

GMM znajdują praktyczne zastosowanie w wielu dziedzinach gospodarki i aktywności człowieka: 

• medycyna i farmacja - do produkcji leków białkowych (hormony, takie jak insulina i hormon wzrostu), szczepionek (np. przeciwko wirusowemu zapaleniu wątroby typu B), witamin (np. BIndeks dolny 1₁, BIndeks dolny 12₁₂) i antybiotyków;

• przemysł spożywczy - do produkcji aminokwasów i wzmacniaczy smaku (np. kwas glutaminowy, kwas cytrynowy), enzymów (np. chymozyna) oraz do poprawy procesów fermentacyjnych (np. drożdże piwowarskie i winiarskie);

• ochrona środowiska - do utylizacji odpadów (np. plastików, pestycydów), oczyszczania ścieków i usuwania wycieków ropy;

• nauka - badanie funkcji genów i ich aktywności. 

• Modyfikacje genetyczne pałeczki okrężnicy
• Modyfikacje genetyczne drożdży

Modyfikacje genetyczne pałeczki okrężnicy10

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.

6,6

Insulina jest hormonem produkowanym przez trzustkę, odpowiedzialnym za regulację stężenia glukozy we krwi człowieka. 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.

R1R599PRQRLL4

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.

Wprowadzone na drodze modyfikacji genetycznych szlaki biosyntezy barwników do bakterii Escherichia coli pozwoliły na wykorzystanie tych organizmów do produkcji m.in. karotenoidów, indygo, wiolaceiny i antocyjanów. Bakteryjna produkcja niebieskiego barwnika indygo, używanego m.in. do barwienia jeansu, może być alternatywą dla syntezy chemicznej, w której używane są toksyczne związki, np. benzen, formaldehyd i cyjanowodór.

RXZRZC9S9JD6X

Zdjęcie przedstawia dwa niebieskie barwniki indygo. Przypominające kamienie barwniki mają nieregularny, skrystalizowany kształt.

Modyfikacje genetyczne drożdży40

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.

R18VJQKCLZ1QK1

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 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. 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.

Rośliny modyfikowane genetycznie

Rośliny modyfikowane genetycznie (GMP, ang. genetically modified plants) to rośliny, których genom został zmieniony przy użyciu metod i technik inżynierii genetycznej. 

Pierwszą roślinę transgeniczną uzyskano w 1984 roku - był to tytoń szlachetny (Nicotiana tabacum). Od tego czasu wytworzono setki odmian roślin zmodyfikowanych genetycznie,  głównie gatunków uprawnych.

RUXLTV9FZGBD9

Zdjęcie przedstawia duży kwiat róży o delikatnych, liliowych płatkach, przylegających do siebie. Kwiat jest średniej wielkości, półpełny.

Metody modyfikacji genetycznych roślin

Proces modyfikacji genetycznej roślin jest utrudniony przez obecność sztywnej ściany komórkowej, która stanowi barierę dla obcego materiału genetycznego. Z tego powodu w niektórych metodach transformacji niezbędne jest jej całkowite lub częściowe usunięcie; po zakończeniu procesu zmodyfikowane komórki roślinne samoczynnie ją odbudowują. W pozostałych technikach stosuje się rozwiązania pozwalające na wprowadzenie DNA bez naruszania struktury ściany.

Wyróżnia się dwie grupy metod transformacji genetycznej roślin:

• wektorowe, np. agroinfekcja;

• bezwektorowe, np. elektroporacja, mikrowstrzeliwanie. 

• Wektorowa metoda modyfikacji
• Bezwektorowe metody modyfikacji

Wektorowa metoda modyfikacji10

6,6

Jedną z metod wektorowych jest agroinfekcja, transformacja z wykorzystaniem bakterii z rodzaju Agrobacterium. Są to bakterie glebowe wykazujące zdolność infekowania roślin, do których wnikają poprzez uszkodzone lub zranione tkanki. Ich obecność objawia się powstawaniem guzowatych narośli na korzeniach i łodygach (przejaw infekcji A. tumefaciens) lub powstawaniem nienaturalnie dużej liczby włośników w zaatakowanej części korzenia (przejaw infekcji A. rhizogenes). 

R1AHNXGFE8JHO

Zdjęcie mikroskopowe przedstawia bakterię atakującą komórkę marchwi zwyczajnej. Bakteria ma formę pałeczkowatych przylegających do siebie i nakładających się na siebie komórek. Są one ze sobą połączone nitkowatymi strukturami. Otaczają kulistą komórkę marchwi zwyczajnej białą, przypominającą pajęczynę, delikatną naroślą.

Bakterie posiadają plazmid infekcyjny, który stanowi wektor dla hybrydowego DNA. Bakterie nie wnikają bezpośrednio do komórki roślinnej, ale wprowadzają do niej część wektora zawierającego hybrydowy DNA, który integruje się z prowadzeniu do komórki roślinnej hybrydowy DNA integruje się z genomem rośliny. 

RUD14P8DNVDDX

Zdjęcie przedstawia korzeń. Na jego powierzchni, wśród licznych rozgałęzień znajdują się guzowate narośle. Przypominają gąbczaste brązowe formy z licznymi porami i wgłębieniami.

Bakterie z rodzaju Agrobacterium posiadają plazmid infekcyjny, który służy jako wektor dla hybrydowego DNA. Mikroorganizmy te nie wnikają bezpośrednio do komórki roślinnej, lecz wprowadzają do jej wnętrza jedynie fragment plazmidu zawierający wprowadzony przez eksperymentatora gen. Po przedostaniu się do cytoplazmy, obce DNA trafia do jądra komórkowego, gdzie trwale integruje się z genomem rośliny. 

Głównym ograniczeniem metody transformacji z wykorzystaniem Agrobacteriumjest jej selektywność – proces ten zachodzi skutecznie niemal wyłącznie u dwuliściennych roślin okrytozalążkowych.

Bezwektorowe metody modyfikacji40

W bezwektorowych metodach modyfikacji genetycznych roślin obcy gen wprowadzany jest do komórek roślinnych lub protoplastów (komórek roślinnych pozbawionych ściany komórkowej) bezpośrednio, bez udziału wektora. Do metod bezwektorowych zalicza się: elektroporację i mikrowstrzeliwanie.

R1M5M4FZ9RP251

Grafika przedstawia jedną z metod modyfikacji genetycznych roślin. Impulsy elektryczne przedstawione na schemacie jako żółte strzałki oddziałują na błonę komórkową kulistego protoplastu roślinnego. Ma on w środku fioletową kulkę – to jądro komórkowe. Na zewnątrz błony są małe, zielone kuleczki – DNA. Pod wpływem impulsów w błonie powstają trwałe hydrofilowe pory. Wewnątrz poru znajdują się fosfolipidy błonowe. Na grafice to niebieskie cząsteczki z nitkowatymi, spiralnie skręconymi strukturami. Dzięki porom hydrofilowym do wnętrza protoplastu przenikają fragmenty DNA przedstawione jako zielone punkty. Dzięki procesowi elektroporacji DNA znajduje się nieopodal kulistego fioletowego jądra komórkowego wewnątrz protoplastu.

RX8FCOR2K4P311

Grafika przedstawia, w jaki sposób działa strzelba genowa. Do wnętrza komórki roślinnej wstrzeliwane są mikropociski. Mikropociski w postaci drobnych złotych kulek pokrytych fragmentami DNA wydostają się z lufy pistoletu. Dzięki czynnikowi przyspieszającemu mikropociskom nadawana jest prędkość. Pod wpływem działania sprężonego helu przebijają ścianę komórkową ostrzeliwanej komórki roślinnej. Fragmenty DNA zostają wprowadzone do jądra komórkowego. Z prawej strony ilustracji znajduje się zdjęcie dłoni, która trzyma białą strzelbę genową. Palec dłoni znajduje się na spuście.

Wykorzystanie roślin modyfikowanych genetycznie

Rośliny zmodyfikowane genetycznie znajdują zastosowanie w wielu obszarach działalności człowieka:

• rolnictwo - np. tworzenie odmian odpornych na szkodniki, pestycydy, niekorzystne warunki środowiskowe (susza, zasolenie i zanieczyszczenie gleb metalami ciężkimi);

• tworzenie odmian o wysokiej wartości użytkowej - np. rośliny o wysokiej zawartości składników odżywczych, obniżonej ilości alergenów; 

• przemysł i medycyna - produkcja leków i szczepionek, surowców przemysłowych (np. bioplastiki); 

• ochrona środowiska - tworzenie roślin, które potrafią pochłaniać z podłoża metale ciężkie lub rozkładać zanieczyszczenia organiczne (np. pochodne ropy naftowej); 

• tworzenie odmian roślin ozdobnych o nowych pożądanych cechach konsumenckich (np. kwiaty o nietypowych kolorach);

• badania naukowe - określanie funkcji genu i mechanizmów jego regulacji.

Zwierzęta modyfikowane genetycznie

RECLNTMG2X8KZ1

Zdjęcie przedstawia zmodyfikowanego genetycznie danio pręgowanego o barwie różowej. To ryba akwariowa, która osiąga długość do pięciu centymetrów. Ryba ze zdjęcia ma weloniaste, półprzezroczyste płetwy. Długi, smukły ogon. Delikatnie zarysowane oczy na niewielkiej głowie. Na grzbiecie ma charakterystyczne smugi układające się we wzory. A przy ogonie przecięcie, które jest wgłębieniem do wewnątrz ciała. Wycięty ogon podobnie jak płetwy jest półprzezroczysty.

Zwierzęta modyfikowane genetycznie (GMA, ang. genetically modified animals) to zwierzęta, których genom został zmieniony przy użyciu metod i technik inżynierii genetycznej. 

W 1980 r. uzyskano pierwsze modyfikowane genetycznie zwierzę, którym była mysz domowa (Mus musculus). Dalszy rozwój metod i technik inżynierii genetycznej pozwolił na modyfikacje genetyczne kilkudziesięciu gatunków zwierząt.

Metody modyfikacji genetycznych zwierząt

Modyfikacje genetyczne zwierząt utrudnia złożoność budowy organizmu zwierzęcego i stopień skomplikowania procesów genetycznych. Zwierzęta modyfikowane genetycznie uzyskuje się różnymi metodami, spośród których najbardziej skuteczna jest mikroiniekcja. 

Jest to bezwektorowa metoda modyfikacji genetycznych zwierząt. Najwyższą skuteczność osiąga się, wprowadzając obce DNA w warunkach in vitro do jednego z przedjądrzyprzedjądrzeprzedjądrzy zapłodnionej komórki jajowej. Następnie przedjądrze męskie i żeńskie łączą się ze sobą, tworząc jedno jądro komórkowe. Powstała zygota przechodzi liczne podziały mitotyczne i dalsze procesy związane z rozwojem zarodka. 

RMRSGRNQJDRP4

Ilustracja przedstawia przebieg transformacji myszy metodą mikroiniekcji. Na górze widoczna jest komórka z dwoma przedjądrzami, podpisanymi: Przedjądrze męskie i żeńskie. Do jednego z nich przyłożona jest cienka pipeta z podpisem: Mikropipeta wprowadzająca obce DNA. Obok podpis: Mikroiniekcja obcego DNA do jednego z przedjądrzy. Niżej podpis: Zapłodniona komórka jajowa przed fuzją przedjądrza męskiego i żeńskiego. Niżej strzałka do ilustracji myszy z podpisem: Przeniesienie zarodków do macicy samicy. Poniżej myszy kolejna strzałka prowadząca do ilustracji trzech myszy i podpisem: Po okresie ciąży samica rodzi osobniki potomne. Na dole podpis: Transgeniczne potomstwo ma obce DNA wbudowane we wszystkie komórki ciała.

Metodą mikroiniekcji uzyskiwanych jest kilka zarodków, które zostają wprowadzone do macicy samicy. Po okresie ciąży samica rodzi transgeniczne potomstwo. Osobniki te mają obcy gen trwale wbudowany w genom wszystkich komórek ciała. Również komórki rozrodcze mają obcy gen, dzięki czemu może on zostać przekazany następnym pokoleniom na drodze rozmnażania płciowego.

Wykorzystanie zwierząt zmodyfikowanych genetycznie

Zwierzęta zmodyfikowane genetycznie znajdują zastosowanie w wielu obszarach działalności człowieka:

• medycyna - produkcja leków, np. modyfikowanie świń tak, aby ich narządy (np. serce, nerki) nie były odrzucane przez ludzki układ odpornościowy;

• molekularne „farmy” - uzyskiwanie z mleka transgenicznych kóz lub owiec białek leczniczych (np. antytrombiny – leku przeciwkrzepliwego);

• rolnictwo i hodowla zwierząt - uzyskiwanie zwierząt odpornych na choroby (np. świń odpornych na zespół rozrodczo‑oddechowy PRRS); produkcja zwierząt o pożądanych cechach jakościowych i szybkorosnących;

• przemysł spożywczy - produkcja żywności o specjalnych cechach (np. nabiału bez laktozy);

• nauka - badania nad funkcją i regulacją genów.

Obecnie Unia Europejska zezwala na wykorzystywanie zmodyfikowanych genetycznie: kukurydzy, soi, bawełny i rzepaku – jako pasz oraz żywności. Wprowadzone do sprzedaży produkty GMO są monitorowane i znakowane przez wszystkie państwa członkowskie według odpowiednich regulacji prawnych.

Przeciwnicy wprowadzania produktów  GMO twierdzą, że może mieć ona szkodliwy wpływ zarówno na organizm ludzki i środowisko, a także naruszać zasady etyki. Przedstawiają oni argument, że wprowadzanie obcych genów do rośliny może skutkować powstawaniem nowych białek, m.in. alergenów i toksyn, które będą gromadzić się w wysokich stężeniach w jadalnych częściach roślin. Obecnie wiadomo, że wprowadzenie do genomu soi genu pochodzącego z orzecha brazylijskiego (naturalnie wywołującego alergię) spowodowało reakcje alergiczne u osób nadwrażliwych na orzechy. Z kolei tolerancja na herbicydy powoduje normalny wzrost roślin po opryskach, np. z użyciem preparatu RoundupRoundupRoundup, którego składniki akumulowane są w roślinie, a następnie drogą pokarmową trafiają do organizmu człowieka. Innym wskazywanym zagrożeniem jest wystąpienie oporności na antybiotyki u roślin i zwierząt GMO, w wyniku wykorzystania w modyfikacjach bakterii mających geny selekcyjnegeny selekcyjnegeny selekcyjne, do których należą geny oporności na antybiotyki.

Kolejne zagrożenie wynikające z modyfikowania genetycznego organizmów związane jest z ich niekontrolowanym rozmnażaniem się i rozprzestrzenianiem. Ponadto istnieje ryzyko pojawienia się niebezpiecznej cechy na skutek mutacji. Zjawiska te mogą spowodować nieodwracalne zmiany w środowisku, w tym zmniejszenie różnorodności genetycznej na skutek wyparcia naturalnie występującego gatunku, niekontrolowane rozprzestrzenianie się genu oraz pojawianie się superchwastów, czyli roślin niepożądanych w uprawach, które uodporniły się na herbicydy, a konkretnie na glifosat (np. szarłat Palmera – Amaranthus palmeri, przymiotno kanadyjskie – Erigon canadenisis).

RC6N6J5BECFXE

Nagranie filmowe lekcji dotyczy GMO.

Nagranie filmowe lekcji dotyczy GMO.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RC6N6J5BECFXE

Nagranie filmowe lekcji dotyczy GMO.

Podsumowanie

• GMO (organizmy modyfikowane genetycznie) to organizmy, których genom został zmieniony metodami inżynierii genetycznej w sposób nienaturalny dla procesów zachodzących w przyrodzie.

• Organizm transgeniczny to rodzaj GMO, który zawiera w swoim genomie obcy gen (transgen) pochodzący od innego gatunku.

• Modyfikacje genetyczne mogą polegać na:
  - wyciszeniu genu własnego,
  - wprowadzeniu dodatkowej kopii genu własnego,
  - wprowadzeniu genu obcego (transgenu).

• Mikroorganizmy GMO (bakterie i drożdże) otrzymuje się głównie metodą transformacji z użyciem plazmidów lub bakteriofagów.

• Mikroorganizmy GMO wykorzystywane są m.in. w:
  - medycynie (produkcja m.in. insuliny, somatotropiny, hirudyny, szczepionek),
  - przemyśle (produkcja m.in. enzymów, witamin, barwników, detergentów),
  - ochronie środowiska (degradacja zanieczyszczeń),
  - badaniach naukowych do określania funkcji genów i mechanizmów ich regulacji.

• Rośliny GMO otrzymuje się metodami: wektorowymi (z użyciem bakterii Agrobacterium), bezwektorowymi (elektroporacja, mikrowstrzeliwanie).

• Rośliny GMO mogą wykazywać:
  - odporność na herbicydy, szkodniki i patogeny,
  - większą tolerancję na stres środowiskowy,
  - lepszą wartość odżywczą i smakową,
  - wydłużony okres przechowywania, zdolność do produkcji substancji leczniczych.

• Zwierzęta GMO otrzymuje się głównie metodą mikroiniekcji DNA do zapłodnionej komórki jajowej.

• Zwierzęta modyfikowane genetycznie są wykorzystywane w:
  - badaniach naukowych,
  - medycynie (produkcja białek leczniczych),
  - hodowli i przemyśle (zwiększenie masy ciała, odporności na choroby), 
  - badaniach naukowych do określania funkcji genów i mechanizmów ich regulacji.

• Potencjalne zagrożenia GMO:- możliwość niekontrolowanego rozprzestrzeniania się zmodyfikowanych roślin w środowisku,
  - ryzyko zmniejszenia bioróżnorodności,
  - wątpliwości dotyczące długofalowego wpływu GMO na zdrowie człowieka i ekosystemy.

Ćwiczenia utrwalające