Manipulowanie genami nie stanowi obecnie technicznego problemu. W genomie myszy można umieścić geny ludzkie, a do komórek bakterii wprowadzić geny roślin. Jaki sens ma inżynieria genetyczna i dokąd zmierza?

Już wiesz
  • cechy organizmów zapisane są w ich genach;

  • gen to fragment DNA odpowiedzialny za wytworzenie cząsteczki określonego białka;

  • genom to zespół genów zawartych w haploidalnym zestawie chromosomów organizmu.

Nauczysz się
  • wyjaśniać, na czym polega inżynieria genetyczna;

  • opisywać przykłady praktycznego zastosowania metod inżynierii genetycznej;

  • wyjaśniać pojęcie GMO;

  • omawiać znaczenie metody PCR.

1. Na czym polega inżynieria genetyczna?

Celem inżynierii genetycznej jest modyfikacja organizmów i komórek poprzez wprowadzenie określonego fragmentu kwasu nukleinowego (DNA) pobranego z organizmu zwanego dawcą do komórek innego organizmu, czyli biorcy. Konkretny fragment DNA wycina się za pomocą molekularnych nożyc, czyli enzymów restrykcyjnych, które umożliwiają przecięcie nici DNA w ściśle określonych miejscach. Wyróżnia się wiele różnych typów tych enzymów. Odpowiednio je dobierając, można otrzymać wybrany fragment kwasu nukleinowego. Następnie wyizolowany fragment trzeba włączyć do DNA organizmu, który ma być zmodyfikowany. Służą do tego ligazy – enzymy, których nazwa pochodzi od łacińskiego słowa ligare, czyli włączać. Biorą one udział w tworzeniu wiązań między fragmentami kwasu nukleinowego i łączą pocięte uprzednio fragmenty. Zmodyfikowany DNA przenosi się do komórek biorcy. W wyniku tego zmienia się ich materiał genetyczny i w konsekwencji nabywają one nowe, pożądane przez człowieka cechy.

Polecenie 1

Nazwy enzymów powstają poprzez dodanie do nazw substratów, na które działają, przyrostka -aza. Utwórz nazwę grupy enzymów, do których należą enzymy restrykcyjne.

2. Praktyczne zastosowanie inżynierii genetycznej

Pierwszym poważnym sukcesem inżynierii genetycznej było przeniesienie w 1973 r. przez Stanleya Cohena i Herberta Boyera ludzkiego genu kodującego insulinę do komórek bakterii, w wyniku czego komórki bakterii zaczęły produkować ludzki hormon. Dzięki tym badaniom wykazano, że podstawowa instrukcja życia jest zapisana w ten sam sposób we wszystkich organizmach. Ponadto rozkodowanie i wykorzystanie informacji genetycznej do wytwarzania białek odbywa się identycznie 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 te korzystne – dodawane. Na przykład obecnie 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 trzustki 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.

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 GMO. Przekształcane są głównie te rośliny, które mają duże znaczenie w rolnictwie – zboża i rośliny paszowe. W procesie modyfikacji otrzymują nowe cechy: ich owoce charakteryzują się większą trwałością, lepszym smakiem, bardziej intensywnym zapachem, a same rośliny odpornością na szkodniki i choroby.

Za pomocą technik inżynierii genetycznej można również wytworzyć na przykład zmodyfikowane zwierzęta o intensywniej działającym hormonie wzrostu, szybko osiągające duże rozmiary, co w dłuższej perspektywie pozwala obniżyć koszty ich hodowli.

Inżynieria genetyczna ma ponadto duże znaczenie w rozwoju genetyki. Umożliwia bowiem poznanie funkcji pełnionych przez poszczególne geny.

Ciekawostka

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.

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 Mullisa, który 10 lat później za swoje odkrycie otrzymał Nagrodę Nobla. PCR 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;

  • 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 fragmentów sekwencji genetycznych identycznych z początkiem i końcem wzorcowego DNA; potrzebne są one do zapoczątkowania procesu powielania sekwencji DNA; przyklejają 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, 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.

PCR ma szerokie zastosowanie w medycynie. Za pomocą tej techniki możliwe jest wykrycie w badanej próbce obecności kwasu nukleinowego konkretnych bakterii, wirusów lub pasożytów. Aby na przykład wykryć i zidentyfikować nieznanego pasożyta w organizmie, trzeba do badanej próbki dodać identyfikator, czyli fragmenty sekwencji genetycznych pasujących do DNA znanego pasożyta. Gdy zajdzie reakcja PCR, czyli gdy nieznane DNA zostanie namnożone, otrzymujemy informację, że identyfikator do niego pasował, zatem próba zakończyła się rozpoznaniem. Jeśli natomiast nie zajdzie reakcja PCR, wtedy typuje się innego pasożyta, a nastepnie umieszcza w próbce jego identyfikator w nadziei, że zajdzie reakcja PCR. Za pomocą techniki PCR można wykrywać niektóre nowotwory i inne schorzenia na bardzo wczesnym etapie.

Ciekawostka

Probówki, w których przeprowadza się reakcję PCR, ze względu na małe 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.

Polecenie 2

Na podstawie schematu objaśnij znaczenie enzymów (restryktazy i ligazy) biorących udział w rekombinacji DNA.

Podsumowanie

  • Inżynieria genetyczna pozwala na wprowadzanie zmian w genomie.

  • Za pomocą enzymów restrykcyjnych możliwe jest wycinanie odcinków kwasu nukleinowego, a za pomocą ligaz – sklejanie.

  • Reakcja łańcuchowa polimerazy jest sposobem na namnożenie wybranego fragmentu DNA.

Praca domowa
Polecenie 3.1

1. Wyobraź sobie, że jesteś członkiem zespołu biotechnologów, którzy zamierzają umieścić gen bioluminescencji w genomie jaworów przeznaczonych do nasadzeń przydrożnych. Dysponujesz genem bioluminescencji i genomem jawora oraz odpowiednio wyposażonym laboratorium. Opisz kolejne etapy swojej pracy, wzorując się na nagraniu wideo 1.

Polecenie 3.2

2. Oceń użyteczność jaworów zmodyfikowanych w sposób opisany w zadaniu 1. Zaprojektuj inne organizmy modyfikowane i określ przydatność proponowanych przekształceń.

Słowniczek

Herbert Boyer

Amerykański biotechnolog, który wraz ze Stanleyem Cohenem wprowadził ludzki gen do komórek bakterii.

Stanley Cohen

Amerykański biochemik, laureat Nagrody Nobla, który wraz z Herbertem Boyerem wprowadził ludzki gen do komórek bakterii.

GMO

organizmy modyfikowane genetycznie za pomocą inżynierii genetycznej; mają zmieniony genotyp w wyniku na przykład wprowadzenia do genomu fragmentu DNA pochodzącego z innego organizmu

enzymy restrykcyjne

białka o aktywności enzymów; enzymy te przecinają cząsteczkę DNA w miejscach o określonej sekwencji nukleotydów

inżynieria genetyczna

zbiór technik dających możliwość zamierzonego i kontrolowanego wprowadzenia zmiany w genomie lub wprowadzenia genu pobranego z materiału genetycznego jednego organizmu do genomu innego organizmu

ligazy

grupa enzymów biorących udział w łączeniu fragmentów nici DNA

Kary Mullis

Amerykański biochemik, laureat Nagrody Nobla, który wynalazł metodę PCR umożliwiającą kopiowanie fragmentów DNA.

Zadania

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4