Zmodyfikowane genetycznie zwierzęta służą do produkcji wielu substancji wykorzystywanych w medycynie. Mogą też w przyszłości stać się dawcami narządów do transplantacji.

Już wiesz
  • rośliny GM mogą pomóc w ograniczeniu zjawiska głodu na świecie;

  • uprawy roślin GM oraz wprowadzenia żywności z niej pochodzącej powinny być stale monitorowane.

Nauczysz się
  • opisywać przykłady zwierząt modyfikowanych genetycznie;

  • wymieniać korzyści i zagrożenia wynikające z modyfikowania zwierząt.

1. Cele modyfikacji genetycznych zwierząt

W 1980 r. profesor Jon W. Gordon zmodyfikowanym genetycznie zwierzętom nadał nazwę transgeniczne. Organizmy te posiadają w swoim genomie obce DNA, czyli DNA pochodzące z innego organizmu. Celem tworzenia zwierząt transgenicznych jest m.in. uzyskanie odpowiedzi na pytanie, pod wpływem jakich czynników dany gen staje się aktywny. Wyłączenie określonego genu pozwala ustalić, w jakim procesie zachodzącym w komórce biorą udział produkty wytworzone na bazie danego genu. W wielu badaniach nad chorobami zwierzęta zastępują ludzi, na których eksperymenty są niedozwolone.

Zwierzęta GM posiadające pożądane przez człowieka cechy – szybki przyrost masy ciała, wytwarzanie mięsa z niewielką ilością tłuszczu – mogą być wykorzystywane w tradycyjnych hodowlach.

Ponadto zwierzęta GM mogą pełnić rolę bioreaktorów, czyli wytwarzać ludzkie białka stosowane w medycynie. Mogą one pojawiać się w mleku, krwi i jajach (w przypadku ptaków) zmodyfikowanych organizmów. Proces izolowania białek ze zwierzęcych produktów nie stanowi już problemu. Przykładem takich zwierząt są kozy, których mleko zawiera ludzki czynnik wzrostu, wykorzystywany w leczeniu karłowatości u ludzi, lub owce, których mleko ma w swoim składzie ludzki czynnik krzepliwości krwi – komponent leków dla chorych na hemofilię, hormon przyspieszający wytwarzanie erytrocytów człowieka, czy białka chroniące przed rozedmą płuc.

Poprzez modyfikacje genetyczne uzyskano między innymi owce, które wytwarzają wełnę toksyczną dla moli i nie kurczącą się podczas prania oraz krowy produkujące mleko o dużej zawartości białka kazeiny – idealne do produkcji serów.

2. Organizmy modelowe

W badaniach biologicznych bardzo często wykorzystuje się organizmy modelowe. Najczęściej zastępują one człowieka, który ze względów etycznych nie może być obiektem doświadczalnym. Modelami są na przykład: bakteria E. coli, mysz, muszka owocowa, szympans, a wśród roślin tytoń i ryż. Prowadzone na nich badania pomagają m.in. ustalić przyczyny chorób i skutki działania leków. Organizmy modelowe muszą spełniać kilka z podanych niżej warunków. Przede wszystkim powinny:

  • być małe i niewymagające pod względem warunków hodowli; wjątkiem są czasem szympansy i świnie, które jednak wykorzystuje się jedynie podczas końcowych testów;

  • w krótkim czasie wytwarzać liczne organizmy potomne, by prowadzone na nich doświadczenia dawały rzetelne wyniki;

  • przechodzić krótki cykl rozwojowy, co pozwoli zaobserwować długofalowe skutki wprowadzonych zmian;

  • posiadać niewielką liczbę genów, ponieważ ułatwia to analizę zmian genetycznych;

  • należeć do gatunków pospolitych, powszechnie występujących.

Wybór organizmu do testów ma związek z zakresem projektowanego badania.

Bardzo ważnymi zwierzętami w eksperymentach laboratoryjnych są myszy. Stanowią one modele w analizach różnych chorób. Te używane do zastosowań naukowych posiadają zmodyfikowane geny i są dostępne komercyjnie na potrzeby laboratoriów. Należą do nich na przykład myszy pozbawione niektórych genów odpowiedzialnych za wytwarzanie mieliny – substancji otaczającej aksony, dzięki której prawidłowo są przenoszone impulsy nerwowe. W chorobie o nazwie stwardnienie rozsiane mielina ulga uszkodzeniu. Obserwacja myszy, u których wyłączono geny odpowiedzialne za wytwarzanie mieliny, pomaga poznać mechanizm syntezy tej substancji, a w przyszłości może doprowadzić do zminimalizowania skutków tej choroby u człowieka.

Obecnie iIstnieje nawet możliwość wyhodowania specjalnych osobników do określonych doświadczeń, np. zwierząt pozbawionych genu, którego produktem jest konkretne białko. Na mysich modelach prowadzi się badania dotyczące chorób nowotworowych, otyłości, karłowatości, starzenia się organizmu, chorób serca, cukrzycy i wielu innych.

Polecenie 1

Badania na zwierzętach pozwoliły m.in. poznać fizjologiczny mechanizm powstawania uzależnień oraz budowę i fizjologię poszczególnych narządów oraz ich układów, np. układu krwionośnego. Ocena wyników badań przeprowadzonych na zwierzętach pokazuje jednak, że w ponad połowie przypadków mysie modele chorób ludzkich dają inny obraz kliniczny niż choroby człowieka i inaczej reagują na terapię.

Przygotuj argumenty za i przeciw używaniu zwierzęcych modeli do badań nad ludzkimi chorobami i weź udział w debacie na ten temat.

3. Przeszczepianie tkanek i narządów między przedstawicielami różnych gatunków

Tworzenie genetycznie zmodyfikowanych zwierząt daje możliwość ksenotransplantacji, czyli transplantacji polegającej na przeszczepianiu komórek, tkanek lub narządów między różnymi gatunkami. Najlepszym modelem dla wytwarzania narządów do przeszczepów dla ludzi są świnie, ponieważ ich narządy rozmiarami przypominają narządy człowieka (np. serce, nerki, wątroba). Tego rodzaju transplantacje ciągle stanowią wyzwanie z powodu różnic genetycznych (braku immunologicznej zgodności tkanek zwierzęcia i człowieka). W bliższej perspektywie zostaną prawdopodobnie wykorzystane komórki i tkanki zwierząt, np. można będzie zastępować komórki Langerhansa u chorych na cukrzycę lub neurony uszkodzone przez chorobę Parkinsona – komórkami pobranymi od transgenicznych zwierząt. Jeden z ważniejszych kroków w tym kierunku został uczyniony w 1992 r., gdy metodami biotechnologii uzyskano rasę świń o zmienionych właściwościach tkankowych. Ich komórki mają nowe cechy, które pozwalają „oszukać” układ odpornościowy człowieka i chronią przed szybkim odrzuceniem przeszczepu.

Ciekawostka

Obecnie jedynymi transgenicznymi zwierzętami dostępnymi w sprzedaży (tylko w USA) są rybki danio pręgowane, które posiadają fluorescencyjne białko i świecą w ciemnościach 5 kolorami. Rybki te są bezpłodne, więc nie mogą przekazać swoich genów potomstwu.

Ciekawostka

Japońscy i amerykańscy naukowcy w 2004 r. otrzymali zmodyfikowane zarodki bydła odporne na chorobę wściekłych krów (BSE).

4. Trudności w modyfikacjach genetycznych zwierząt

Dużo łatwiej zmodyfikować roślinę niż zwierzę, ponieważ zwierzęta w przeciwieństwie do roślin trudniej jest rozmnażać przez klonowanie, więcej czasu potrzeba na ich reprodukcję, a ich rozród jest trudniejszy. Z tego też powodu używanie ich oznacza wyższe koszty badań. Ponadto zwierzęta transgeniczne często chorują, ciąże są odrzucane, a pochodzące z nich osobniki są na ogół niepłodne. Teoretycznie zmienione cechy powinny być dziedziczone, jednak istnieją udokumentowane przypadki świadczące o tym, że przekazywanie zmienionych genów potomstwu w niektórych sytuacjach jest w ogóle niemożliwe. Przyczyną jest tendencja do odrzucania zmiany wprowadzonej w genomie, w kolejnych pokoleniach zwierząt, pochodzących od zmodyfikowanego osobnika.

Modyfikacje zwierząt są bardzo kosztowne. Zabiegi uwieńczone urodzeniem się zmodyfikowanej krowy pochłaniają około 300‑500 tys. dolarów, owcy 60 tys., a świni 25 tys. Jednak wykorzystanie takich zwierząt znacznie ułatwia produkcję niezbędnych dla medycyny surowców. Oszacowno, że w USA rocznie potrzeba dla chorych ok. 4 kg czynnika krzepliwości krwi. Tę ilość można uzyskać w ciagu roku z mleka jednej transgenicznej krowy lub 13 transgenicznych owiec.

Polecenie 2

Podaj prawdopodobne przyczyny odrzucania przez organizm matki płodów zmodyfikowanych genetycznie. Weź pod uwagę sposób umieszczenia zarodków w organizmie samicy i ich cechy genetyczne.

5. Białko zielonej fluorescencji

Białko zielonej fluorescencji (GFP; green fluorescent protein) zostało wyizolowane z meduzy żyjącej w wodach u wybrzeży Ameryki Północnej. Jego rola u meduz nie została do tej pory wyjaśniona. Białko to, wzbudzone światłem o odpowiedniej długości, świeci na zielono. Nie wykazuje ono toksycznego działania na organizmy, a sekwencja kodujących je genów jest dobrze poznana.

GFP ma szerokie zastosowanie jako cząsteczka sprawdzająca aktywność określonego genu. Sekwencja nukleotydów kodująca białko GFP przyłączona do jakiejkolwiek sekwencji kodującej białko człowieka pozwala zaobserwować, gdzie jest ono wytwarzane. Takie białko połączone z GFP, wzbudzone odpowiednim światłem, emituje zielone światło i wskazuje swoją lokalizację. Podobnie lokalizuje się geny w genomie.

Na świecie aż 11% kotów choruje na zespół nabytego niedoboru odporności (FIV) wywoływany przez wirusa bardzo podobnego do HIV. Badania nad takimi osobnikami mogą pomóc w opracowaniu terapii genowej i leków dla ludzi chorych na AIDS. Na drodze modyfikacji genetycznych wytworzone zostały świecące koty wyposażone w gen kodujący białko GFP oraz pochodzący od rezusa gen, który hamuje infekcję człowieka jednym z wirusów HIV. GFP połączono z czynnikiem restrykcyjnym rezusów i przeniesiono do komórek kotów. Dzięki luminescencji, w próbce zawierającej leukocyty kota stwierdzono obecność czynnika restrykcyjnego. Miarą sukcesu był fakt, że wirusy się nie namnożyły.

Ze względu na ogromne możliwości, jakie niesie ze sobą technika stosowania białka GFP, doczekało się ono szeregu modyfikacji. W efekcie uzyskano białka świecące o różnych barwach, np. żółte, niebieskie, czerwone. Pozwala to na jednoczesne wyróżnienie kilku genów i obserwowanie produktów ich ekspresji.

Podsumowanie

  • Dzięki modyfikacjom genomów zwierząt można przeprowadzać badania, które przyczyniają się do poznania mechanizmów powstawania chorób.

  • Modyfikowane zwierzęta mogą wytwarzać leki i inne substancje stosowane w medycynie.

  • Białko zielonej fluorescencji to znacznik używany do wizualizacji produktów genów.

Praca domowa
Polecenie 3.1

1. Wymień inne niż wymienione w tekście możliwe zastosowania zwierząt modyfikowanych genetycznie.

Polecenie 3.2

2. Podaj argumenty za hodowaniem modyfikowanych genetycznie zwierząt w celu pozyskiwania z nich organów do przeszczepów dla ludzi oraz przeciw prowadzeniu takich hodowli.

Słowniczek

ksenotransplantacje

przeszczepianie komórek, tkanek lub narządów pomiędzy osobnikami różnych gatunków

organizm modelowy

organizm posiadający szereg specyficznych cech, dzięki którym jest wykorzystywany w badaniach naukowych; charakteryzuje się znanym genomem, krótkim cyklem życiowym, małymi rozmiarami ciała, dużą liczbą potomstwa

transgeniczne zwierzęta

zwierzęta, których DNA został zmodyfikowany, dzięki czemu wybrane cechy fenotypowe uległy zmianie

Zadania

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4