Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

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.

Już wiesz
  • człowiek modyfikuje genetycznie organizmy po to, aby uzyskać na przykład bardziej wydajne hodowle;

  • skrót GMO oznacza organizmy modyfikowane genetycznie.

Nauczysz się
  • opisywać metody modyfikacji genetycznej mikroorganizmów;

  • określać znaczenie organizmów modyfikowanych genetycznie;

  • oceniać przydatność dla człowieka organizmów modyfikowanych genetycznie.

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 genetycznym, którym może być wirus lub plazmid. 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.

Kolejną możliwością wprowadzenia obcego DNA do komórki jest elektroporacja 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.

Mikrowstrzeliwanie 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 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.

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 hirudyna – 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.

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 Legocki 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.

Polecenie 1

Zastanów się, jakie jeszcze substancje przydatne dla człowieka mogłyby być produkowane przez mikroorganizmy. Czy do tej produkcji bezpieczniejsze byłoby zatrudnienie komórek bakterii czy grzybów? Uzasadnij odpowiedź.

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.

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.

Polecenie 2

Spróbuj przewidzieć trudności, jakie mogą być związane ze stosowaniem ekranów złożonych ze świecących bakterii.

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.

Praca domowa
Polecenie 3.1

1. Porównaj mikrowstrzeliwanie i elektroporację pod kątem skuteczności wprowadzania obcych genów do DNA biorcy.

Polecenie 3.2

2. Wymień w punktach etapy wprowadzenia do sałaty szczepionki przeciw grypie oraz działania zmodyfikowanej sałaty na myszy.

Słowniczek

armatka genowa

urządzenie wykorzystywane w procesie mikrowstrzeliwania obcego DNA do komórek

elektroporacja

odwracalne uszkodzenie błony komórkowej za pomocą impulsów elektrycznych w celu wprowadzenia obcego DNA do komórki

hirudyna

substancja wytwarzana przez pijawki obniżająca krzepliwość krwi

insulina

hormon biorący udział w regulacji poziomu cukru we krwi

Andrzej Legocki

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

mikrowstrzeliwanie

metoda wprowadzania do komórki DNA osadzonego na metalowych kulkach, wykorzystywana w inżynierii genetycznej

plazmid

cząsteczka kodująca DNA, która powszechnie występuje u bakterii; może być modyfikowana i wprowadzona np. do komórek roślin

wektor genetyczny

niewielka cząsteczka DNA, za pomocą której wprowadza się obcy gen do modyfikowanej komórki

Zadania

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4