Znaczenie inżynierii genetycznej

W połowie lat siedemdziesiątych naszego stulecia w biologii dokonała się rewolucja. Spowodował ją rozwój technologii sztucznej rekombinacji DNA umożliwiający całkowicie nowe podejście do rozwiązywania problemów badawczych w biologii. Zastosowanie tej technologii nie ograniczyło się do badań genetycznych, spowodowało ono także przełom w wielu innych kluczowych dziedzinach biologii, od badań nad rozwojem organizmów po ewolucjonizm.

Jedna z niezwykle rozwijających się dziedzin badawczych jest inżynieria genetyczna, mająca na celu modyfikację DNA organizmów, wprowadzanie do nich nowych produktów. Inżynieria genetyczna umożliwia uzyskanie szczepów bakterii wytwarzających użyteczne białka, a także wyhodowanie roślin i zwierząt, w których komórkach ulegają ekspresji obce geny. Konsekwencją tych osiągnięć jest ogromny postęp w takich dziedzinach, jak farmaceutyka, medycyna i genetyka człowieka oraz rolnictwo. Inżynierią genetyczną określamy jako postępowanie zmierzające do przekształcania informacji genetycznej poprzez stosowanie różnych technologii. Inżynieria genetyczna polega zatem na manipulowaniu materiałem dziedzicznym w celu otrzymania nowych, nie istniejących dotychczas „gatunków” i zestawów genów.

Współczesna inżynieria genetyczna rozwija się bardzo prędko i stosuje cały szereg różnych technik, w zależności od tego jaki wynik pragnie się otrzymać.

Ważnym etapem jest wprowadzenie obcego DNA do komórek biorcy. Najprościej dokonać tego można poprzez transformację albo transdukcję. Zjawiska te są stosunkowo łatwe do wywołania w bakterii, udało się również dokonać tego w hodowlach in vitro komórkach myszy. Dokonał tego M.Wigler w 1979 roku. Nie możność transformacji u grzybów wskazują najnowsze badania przeprowadzone przez takich badaczy jak N.C. Mishara, G. Szabo i E.L. Tatum. D. Hess w 1972 roku wprowadził na drodze transformacji do komórek białych kwiatów petunii gen, powodujący wytworzenie czerwonego barwnika. Na 13000 roślin potraktowanych obcym DNA uzyskał on 8 petunii wytwarzających barwnik. Transformacje obcego DNA wykazano u innych roślin , a także u niektórych zwierząt, np. u muszki owocówki, jedwabnika, niektórych gatunków ryb.

Najważniejszą techniką inżynierii genetycznej jest rekombinownie DNA in vitro. Ogólnie biorąc, polega ona na pobieraniu i łączeniu ze sobą DNA pochodzącego z różnych źródeł, a następnie wprowadzenie go do układu komórek biorcy, w którym może on się replikować oraz służyć jako matryca do produkcji mRNA i białek. Takim układem może być na przykład komórka bakteryjna. Ta technika rozwinęła się dzięki odkryciu nukleaz restrykcyjnych przez W. Arbera, D. Nathansa i H.O. Smitha za co otrzymali Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii i medycynie w 1978 roku. Restruktazy te służą do wycinania w określonym miejscu DNA i połączeniu go z innymi dowolnymi kombinacjami. Tak otrzymany kompleks genów jest wprowadzany do wnętrza komórek za pomocą wektorów. Są nimi najczęściej zmodyfikowane plazmidy, wirusy bakteryjne albo ich hybrydowe połączenia. Z komórek najczęściej używane są komórki bakteryjne. Taka bakteria nabiera nowych właściwości. Otrzymano w ten sposób wiele zupełnie nowych „gatunków” bakterii, niejednokrotnie cennych z gospodarczego punktu widzenia. Po zrekombinowaniu DNA in vitro i wprowadzenie go do komórek biorcy, niezbędne jest wprowadzenie czystej populacji komórek- tzw. klonu. Procedura ta wymagająca zastosowania specjalnych technik, określanych jako klonowanie. Polega ono na powstawaniu osobników potomnych w wyniku rozmnażania wegetatywnego jednego osobnika rodzicielskiego. Powstałe osobniki mają ten sam genotyp jak organizm macierzysty. Nowe „gatunki” mikroorganizmów, otrzymane metodami inżynierii genetycznej, ze względu na zastosowanie gospodarcze , są coraz częściej przedmiotem patentów. Dzięki wprowadzonym do nich genom, hodowane na wielka skale w bioreaktorach przemysłowych syntezują substancje białkowe- zwłaszcza leki, których produkcja w inny sposób byłaby niemożliwa lub bardzo droga. Hodowane bakterie produkują też duże ilości niezbędnych , a „deficytowych” związków, np. aminokwasów bądź witamin. W Japonii L-lizyna produkowana jest na wielka skalę przez bakterie i dodawana do pieczywa.

Duże możliwości stwarza również genetyczna inżynieria komórkowa. Istnieje możliwość hybrydyzacji (łączenia) hodowanych komórek różnych gatunków. Poza aspektami naukowymi, ta technika ma duże możliwości zastosowania praktycznego. Na przykład uzyskuje się hybrydy różnych gatunków roślin w postaci pojedynczych komórek, z których następnie drogą klonowania i oddziaływania hormonami uzyskać można całe rośliny. Doniesiono o wytworzeniu tą metodą rośliny, będącej mieszańcem między pomidorem a kalafiorem. Bardziej produktywne rośliny C4 może będzie można w ten sposób „kojarzyć” z uprawnymi roślinami C3 .

Jedna z dróg uzyskiwania metodami inżynierii genetycznej białek zwierzęcych jest wykorzystanie do ich wytwarzania żywych zwierząt, do których komórek wprowadzano odpowiednio przygotowany gen. Takie zwierzęta transgeniczne otrzymuje się zwykle wprowadzając odpowiedni gen za pomocą mikroiniekcji do jądra zapłodnionej komórki jajowej. Jajo takie implantuje się następnie w macicy samicy, gdzie przechodzi normalny rozwój.

Jedno z doświadczeń tego rodzaju dotyczyło genu hormonu wzrostu. Gen ten wyizolowano z biblioteki genomowego DNA szczura i połączono z rejonem promotorowym mysiego genu kodującego metalotioneinę, białko, którego synteza stymulowana jest w obecności metali ciężkich, np. cynku. Wtedy ta stymulacja polega na indukcji transkrypcji genu. Sekwencja regulatorowa genu metalotioneiny została wykorzystana jako przełącznik do włączania lub wyłączenia w dowolnym momencie produkcji szczurzego hormonu wzrostu. Po wstrzyknięciu odpowiednio przygotowanego genu do zapłodnionych mysich komórek jajowych implantowano ja w macicy myszy gdzie po jakimś czasie rozwinęły się z nich zarodki. Zarodki, w których doszło do prawidłowego włączenia wprowadzonego genu, rosły bardzo szybko w obecności niewielkich ilości cynku. Jedna z myszy, powstała z zarodka, który otrzymał dwie kopie hormonu wzrostu, osiągnęła wielkość dwukrotnie przekraczającą rozmiary normalnej myszy. Zgodnie z oczekiwaniami, tego rodzaju myszy przekazują często cechę wzmożonej zdolności wzrostowej swemu potomstwu.

Transgeniczne potomstwo znajduje szerokie zastosowanie w różnego rodzaju badaniach naukowych. Dotyczą one regulacji ekspresji genów, funkcjonowania układu odpornościowego, chorób genetycznych, a także genów odpowiedzialnych za powstawanie nowotworów. Transgeniczne zwierzęta wykorzystano do uzyskania osobników wydzielających ważne białka w mleku. Wyhodowano na przykład transgeniczne myszy zawierające gen tkankowego aktywatora plazminogenu (TPA), białka rozpuszczającego skrzepy krwi powodujące zawał serca. Gen ludzkiego czynnika krzepnięcia wprowadzono z kolei do komórek jajowych, z których otrzymano transgeniczne owoce. Oba geny połączone zostały uprzednio z sekwencjami regulatorowymi genów kodujących białka mleka. Geny te ulegają aktywacji wyłącznie w gruczołach mlecznych, w których wytwarzane jest mleko. Zarówno TPA, jak i ludzki czynnik krzepnięcia wydzielane są w dużych ilościach w mleku zwierząt transgenicznych, z którego można je łatwo wydzielić w czystej postaci. Wprowadzenie obcego genu nie szkodzi zwierzęciu. Białkowy produkt obcego genu wytwarzany jest także przez potomstwo zwierząt transgenicznych. Utrzymywanie linii transgenicznych polega po prostu na odpowiedniemu krzyżowaniu zwierząt.

Prace hodowlane nad roślinami trwają od tysięcy lat. Sukces hodowców zależy od tego, czy pożądane cechy występują u roślin selekcjonowanej odmiany bądź u blisko z nimi spokrewnionych roślin dzikich lub udomowionych, z których można byłoby przenieść je za pomocą krzyżowania. Prymitywne odmiany roślin uprawnych , a także blisko z nimi spokrewnione gatunki maja często takie cechy, jak odporność na choroby, które można by z korzyścią wprowadzić do odmian lepiej zaspokajających współczesne potrzeby, np. sałata z większa ilością witamin, itp. Szanse poprawy wartości użytkowanych roślin są znacznie większe w przypadku wprowadzenia do nich genów pochodzących z linii lub gatunków, z którymi się normalnie nie krzyżują. Ze względu na znaczenie gospodarcze zwiększenia plonów roślin uprawnych przeznaczono duże fundusze na badania prowadzone przez genetyków roślin. Genetycy prowadzący badania nad roślinami maja większą swobodę w wykonywaniu doświadczeń i sprawdzaniu nowych technik w porównaniu ze swymi kolegami używającymi do doświadczeń zwierząt. W przypadku manipulacji genami roślinnymi nie wchodzą zwykle w grę problemy etyczne.

Niestety okazało się ze znalezienie odpowiedniego wektora, który miałby służyć do wprowadzania zrekombinowanych fragmentów DNA do komórek roślinnych różnych typów, nie jest sprawa prostą. W powszechnie stosowanym systemie wektorowym wykorzystuje się Agrobacterium tumefaciens, bakterie powodującą guzowatość łodyg i korzeni. Agrobacterium wywołuje nowotwory u roślin za pośrednictwem Ti. Fragment DNA tego plazmidu wnika do komórki gospodarza i zmusza ją do wytwarzania zwiększonych ilości roślinnego hormonu wzrostowego- cytokininy, co wywołuje nienaturalny wzrost. Wspomniany fragment DNA powoduje również przestawianie metabolizmu komórki na produkcje substancji zwanych opinami, prostych przechodnich aminokwasów i ketokwasów. Opiny stanowią optymalne źródło pokarmowe dla Agrobacterium.

Istnieje możliwość „rozbrojenia” plazmidu Ti w taki sposób , by nie powodował on powstawania nowotworu, ale służył jako wektor do wstawiania genów do komórek roślinnych. Komórki, do których wnikną fragment DNA pochodzący ze zmienionego plazmidu, są w zasadzie normalne, z tym tylko, że zawierają dodatkowy gen wstawiony do chromosomu. Geny tak wstawione do DNA komórek roślinnych mogą być przekazywane kolejnemu pokoleniu droga płciową, poprzez nasiona. Transgeniczne rośliny także można rozmnażać wegetatywnie.

W przypadku wektora Ti największym problemem jest to, że zawierająca go bakteria Agrobacterium tumefaciens infekuje wyłącznie rośliny dwuliścienne. Zboża, które stanowią główne źródło pożywienia dla człowieka należą do roślin jednoliściennych, nie mogą być zatem gospodarzami dla Agrobacterium. Na świecie prowadzi się intensywne badania, których celem jest opracowanie dobrych systemów wektorowych ale roślin jednoliściennych. W jednej ze stosowanych metod wykorzystuje się „działo” genetyczne. Mikroskopijne cząstki metalu pokrywane są DNA, a następnie „wstrzeliwane” do komórek roślinnych. Duża prędkość umożliwia im przebicie ściany komórkowej. Wstrzelony DNA wywołuje transformacje niektórych komórek. Komórki te hoduje się w pożywce , a następnie regeneruje z nich całe rośliny.

Dodatkową kombinacją w inżynierii genetycznej roślin stanowi fakt, że wiele ważnych dla roślin genów znajduje się w DNA chloroplastów. Chloroplasty pełnią kluczowa rolę w fotosyntezie, która stanowi podstawę produktywności roślin. Opracowanie metod umożliwiających wprowadzenia zmian w tej części genomu roślinnego, która zlokalizowana jest w chloroplastach, miałoby ważne znacznie. Badania nad metodami ingerencji w genom chloroplastów prowadzone są intensywnie w wielu laboratoriach na świecie.

Kwiat bawełny bez śladów uszkodzeń przez owady. Wprowadzona do rośliny zmiana genetyczna powoduje, że wytwarza ona naturalna substancja owadobójczą.

Inżynieria genetyczna otwiera przed nami zupełnie nowe perspektywy. Dzięki niej można będzie w przyszłości rozwiązać wiele problemów globalnych takich jak na przykład głód na świcie. Może nawet uda się w dalekiej przyszłości „wszczepić” w skórę człowieka chloroplasty...?! I powstanie wtedy nowa rasa - zielonoskórych. Taka rasa wymagała by mniej pokarmu, ale za to więcej dostępu do światła i wody. Niestety inżynieria genetyczna niesie także za sobą wiele zagrożeń, np. tworzenie nowych broni biologicznych, które mogą być zagładą dla świata. Taka wiedza o genetyce doprowadzić może też do tego, że sami zaczniemy kierować ewolucją człowieka. Naukowcy eliminując choroby które nękają ludzkość próbują doprowadzić do sworznia człowieka doskonałego. Jednak mam nadzieje że do tak zaawansowanych działań nie dojdzie. I, że jeszcze przez długi czas będziemy żyć w zgodzie z naturą nie próbują jaj za wszelką cenę udoskonalić.