mozok.click » Podręczniki w języku polskim » Biologia » Inżynieria genetyczna i komórkowa
Інформація про новину
  • Переглядів: 187
  • Автор: admin
  • Дата: 10-03-2018, 00:42
10-03-2018, 00:42

Inżynieria genetyczna i komórkowa

Категорія: Podręczniki w języku polskim » Biologia

Molekularne podstawy dziedziczenia - to klucz do współczesnych biotechnologii

W drugiej połowie XX wieku wraz z rozwojem genetyki i biologii molekularnej człowiek uzyskał możliwość nie tylko dobierania istniejących w przyrodzie kombinacji genów, lecz i bezpośrednio wtrącania się w dziedziczność organizmów, tworząc żywe istoty o całkowicie nowych właściwościach.

Stało się to możliwe dzięki szeregowi kluczowych odkryć w dziedzinie genetyki molekularnej i wyjaśnieniu mechanizmów przekazania i realizacji informacji dziedzicznej. Przypomnijmy podstawowe etapy tej drogi.

W 1928 roku angielski lekarz Frederick Griffith odkrył zjawisko transformacji bakteryjnej, czyli zdolności bakterii do pobierania z otoczenia jakiegoś „czynnika transformującego”, który zmienia dziedziczność.

W 1944 roku amerykański biochemik Oswald Avery zbadał chemiczne pochodzenie tego czynnika: okazał się nim DNA. Po raz pierwszy w historii nauki ta cząsteczka była powiązana z dziedzicznością!

W końcu lat 60. XX wieku odkryto endonukleazy restrykcji lub, w skrócie restryk-tazy, które potrafią przecinać cząsteczki DNAw miejscu wyznaczanym przez specyficzną sekwencję DNA (ryc. 61.1).

Prawie jednocześnie z odkryciem enzymów restrykcyjnych, w 1967 roku był odkryty jeszcze jeden kluczowy enzym - DNA-ligaza. Ligaza łączy poszczególne cząsteczki DNA ze sobą i obok enzymów restrykcyjnych jest szeroko wykorzystywana w biologii molekularnej i biotechnologii.



W1970 roku Howard Temin i David Baltimore odkryli odwrotną transkryptazę - wirusowy enzym zdolny do syntezy DNA na matrycy RNA (przedtem sądzono, że to nie jest możliwe). Odkrycie Temina i Bałtimore umożliwiło pracę nie tylko z genomem DNA organizmów, ale i bezpośrednio z ich RNA.

Rok 1972 jest rokiem powstania inżynierii genetycznej: w tym roku Paul Berg w Stanfordzie otrzymał pierwszą rekombinacyjną cząsteczkę DNA, czyli cząsteczkę utworzoną drogą wprowadzenia jednego fragmentu DNA do innego (ryc. 61.2). W 1980 roku Paul Berg za tę pracę otrzymał Nagrodę Nobla z chemii.

W1978 roku technologia rekombinacyjnych DNA była po raz pierwszy zastosowana w praktyce: gen ludzkiej insuliny był przeniesiony do pałeczki okrężnicy, a już w 1982 roku kompania Genentech wyprodukowała pierwszy komercyjny preparat rekombinacyjnego białka insuliny1.

1 Przypomnijmy, Insulina - to hormon o polipeptydowym pochodzeniu. On jest produkowany przez trzustkę i reguluje przemianę materii, a przede wszystkim koncentrację glukozy we krwi.

Brak insuliny prowadzi do ciężkiej choroby - cukrzycy, która uważana była za nieuleczalną do 1922 roku, w którym wynaleziono sposób oczyszczania insuliny z byczych trzustek. Do 1982 roku wydzielenie insuliny z tkanek zwierząt było jedynym sposobem jej otrzymania do leczenia chorych na cukrzycę. Dziś większość insuliny, która jest na rynku, produkuje się za pomocą inżynierii genetycznej.

W 1987 roku Kary Mullis opracował metodę łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR) - prosty sposób szybkiego otrzymywania dużej ilości kopii określonego odcinka DNA, o którym czytałeś w § 39. Kary Mullis w 1993 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za opracowanie metody PCR.

Rozwój technologii rekombinacyjnych DNA na tym się nie zatrzymał. Na razie inżynieria genowa (nazywana też inżynierią genetyczną), czyli całokształt metod ingerencji w materiał genetyczny organizmów, stała się najważniejszym instrumentem biotechnologii. Wykorzystując metody inżynierii genetycznej, produkuje się hormony rekombinacyjne, szczepionki, interferon, antybiotyki i inne produkty. Opracowano metody przenoszenia genów do komórek nie tylko bakterii, ale i wielokomórkowych organizmów - roślin i zwierząt. Z zagadnieniami dotyczącymi otrzymywania genetycznie zmodyfikowanych wielokomórkowych organizmów zapoznasz się w § 63, a teraz rozpatrzmy metody, które są wykorzystywane w pracy z bakteriami.

Inżynieria genetyczna pozwala wprowadzać geny z jednego organizmu do innego

Rozpatrzmy typową kolejność czynności na przykładzie stworzenia bakterii, która syntezuje jakieś białko człowieka (właśnie takie podejście wykorzystuje się do produkcji insuliny rekombinacyjnej). W 70. i 80. latach XX wieku ta technologia spowodowała prawdziwą rewolucję; a obecnie ten proces jest tak wypracowany, że kwalifikowany biolog w dobrze wyposażonym laboratorium może stworzyć taką bakterię w ciągu niespełna tygodnia. Standardowa kolejność czynności dotycząca przenoszenia genu do komórki bakteryjnej ma kilka etapów (ryc. 61.3).

 


Pierwszym etapem jest otrzymanie odizolowanego genu docelowego. Wiesz już, że gen - to odcinek cząsteczki DNA odpowiedzialny najczęściej za syntezę jednego białka. Źródłem genu do pracy zazwyczaj służy DNA organizmu lub jego RNA. Wykorzystywanie RNA jest lepsze, bo on nie zawiera intronów - niekodowanych kolejności. Lecz praca z RNA włącza dodatkowy etap: na jego podstawie najpierw za pomocą enzymu odwrotnej transkryptazy syntetyzuje się

tak zwany komplementarny DNA(cDNA). Oprócz naturalnych źródeł DNA można otrzymać sztucznie, za pomocą syntezy chemicznej. Wraz z rozwojem metod chemicznej syntezy kolejności DNA obecnie ten sposób staje się coraz bardziej popularny.

Przy użyciu DNA czy RNA z naturalnych źródeł powstaje problem: w każdej komórce jest dziesiątki tysięcy genów. Aby przenieść do bakterii tylko jeden z nich, należy najpierw otrzymać go w dogodnej do pracy formie. Do tego wykorzystuje się stosunkowo prosty i pewny sposób - łańcuchową reakcję polimera-zy, która pozwala „namnożyć” potrzebny odcinek DNA, żeby otrzymać dużo jego kopii. Otrzymany fragment zawiera całą informację o sekwencji aminokwasowej białka, która nas ciekawi, lecz bezpośrednio przenieść go do bakterii nie wolno - on będzie w niej niezdolny do pracy, bo nie zawiera żadnych „instrukcji” dotyczących pracy z nim.

Ryc. 61.3. Schemat inżynierii genetycznej

Dzięki restryktazie wycina się potrzebny fragment z obcego DNA, a także przecina się plazmida. Otrzymane DNA łączy się za pomocą ligazy w celu otrzymania wektora do transformacji. Po transformacji nie wszystkie bakterie otrzymują plazmid z genem. Wysianie komórek bakteryjnych na podłoże z antybiotykiem pozwala wyselekcjonować komórki z wprowadzonym wektorem niosącym oporność na ten antybiotyk.

1. Obcy DNA. 2. Plazmid. 3. Gen oporności na antybiotyk. 4. Obróbka restryktazą. 5. Gen docelowy.

6. Wprowadzenie genu do plazmidu.

7. Transformacja. 8. Hodowanie transformowanych komórek.

Aby on zadziałał w bakterii, potrzebny jest następny etap pracy - wprowadzenie genu do bakteryjnego wektora. Wektorem nazywa się cząsteczkę DNA, przeznaczoną do przeniesienia materiału genetycznego. Chociaż bakterie nie mają prawdziwego rozmnażania płciowego, ale istnieją specjalne mechanizmy wymiany niewielkiej części informacji dziedzicznej, zakodowanej w plazmidach - kolistych cząsteczkach DNA o długości kilku tysięcy par nukleotydów. Plazmidy, które istnieją w przyrodzie, zazwyczaj zawierają kilka pożytecznych genów, na przykład takich, które zapewniają oporność bakterii na antybiotyki. Wektory do przenoszenia materiału genetycznego zazwyczaj tworzą się właśnie na podstawie takich plazmid.

Żeby wprowadzić ludzki gen do bakteryjnego wektora, w wektorze najpierw robi się przecięcie za pomocą specjalnych enzymów - restryktaz, a następnie miesza się z DNA, który koduje białko człowieka (właśnie jego otrzymano na poprzednim etapie) i łączy się przecięcie za pomocą enzymu DNA-ligazy.

Trzeci etap - to przeniesienie wektora do bakterii. Ten proces opiera się na naturalnej właściwości bakterii pochłaniania niewielkich cząsteczek DNA i nazywa się transformacją bakteryjną. Najczęściej wykorzystuje się komórki pałeczki okrężnicy, ale do różnych celów mogą być wykorzystywane bakterie lub drożdże innych gatunków.

Następnie oddziela się transformowane komórki. Wektory zazwyczaj zawierają nie tylko regulujące kolejności DNA, które zmuszają bakterię do spełnienia transkrypcji wprowadzonych do wektora genów, lecz także geny-markery (na przykład geny oporności na antybiotyki), które pozwalają szybko oddzielić komórki, do których wektor został wprowadzony.

Każda taka komórka da początek dużej ilości komórek, z których każda również będzie zawierała wektor. Genetycznie identyczne potomstwo jednej komórki nazywa się klonem, a proces otrzymania dużej ilości identycznych cząsteczek DNA - molekularnym klonowaniem.

Otrzymana bakteria będzie produkowała ludzkie białko, które za pomocą nieskomplikowanych fizykochemicznych metod można łatwo oczyścić od domieszek i wykorzystać. Końcowym (i przy tym najbardziej pracochłonnym i najdroższym) etapem stworzenia dowolnego komercyjnego genetycznie modyfikowanego produktu jest sprawdzenie jego bezpieczeństwa dla zdrowia człowieka i otaczającego środowiska. Jeśli kwalifikowany biolog w sprzyjających okolicznościach może stworzyć transgeniczny mikroorganizm w ciągu kilku dni, to wypróbowania właściwości tego mikroorganizmu i sprawdzenie bezpieczeństwa w niektórych przypadkach trwają lata.

Dzięki inżynierii komórkowej można tworzyć nowe typy komórek

Prawie jednocześnie z inżynierią genetyczną zaczął rozwijać się nowy stosowany kierunek biotechnologii - inżynieria komórkowa. Inżynieria komórkowa - to całokształt metod otrzymania nowych typów komórek, ich hodowla i praktyczne zastosowanie. Metody hodowli komórek zwierząt poza organizmem były opracowane jeszcze na początku XX stulecia, lecz rozwój inżynierii komórkowej zapoczątkowały badania, przeprowadzone w 60. latach. Wtedy opracowano metody somatycznej hybrydyzacji -sztucznego zlania się somatycznych komórek i otrzymanie komórek zdolnych do życia, zdolnych praktycznie w nieskończoność tworzyć sobie podobnych. Metody hybrydyzacji somatycznej pozwalają otrzymywać hybrydowe komórki z komórek różnych typów albo nawet z komórek organizmów różnych gatunków biologicznych. Takie komórki nie tylko są ciekawe dla fundamentalnych badań biologicznych (na przykład za ich pomocą określono miejsce rozmieszczenia różnych genów na chromosomach człowieka), ale mają też ważne znaczenie praktyczne. Na przykład komórki hybrydowe, utworzone przez zlanie się limfocytów z komórkami guzów nowotworowych, potrafią produkować przeciwciała (jak to czynią limfocyty) i przy tym nieograniczenie długo dzielić się podczas hodowli (ryc. 61.4). Takie komórki nazywają się hybrydomami. One są głównym źródłem przemysłowej produkcji przeciwciał.


 

Zastanów się

Wybierz jedną poprawną odpowiedź

1

Insulina należy do następującego rodzaju związków A białka В lipidy C węglowodany D kwasy nukleinowe E związki nieorganiczne

2

Za pomocą restryktazy i ligazy można A przecinać i łączyć cząsteczki DNA В kopiować specyficzne kolejności DNA C przenosić geny z jednego organizmu do innego D dokonywać selekcji organizmów transgenicznych Є hamować działanie mutagenów

3

Najczęściej do eksperymentów w dziedzinie inżynierii genetycznej wykorzystuje się taki rodzaj mikroorganizmów, jak

A pałeczka okrężnicy В prątek gruźlicy C ameba

D drożdże E gronkowiec

4

Według cząsteczki RNA syntezuje się komplementarny względem niego DNA za pomocą takiego enzymu, jak

A polimeraza DNA В ligaza C restryktaza

D odwrotna transkryptaza E polimeraza RNA

5

Proces pochłaniania komórką bakteryjna cząsteczki DNAz otaczającego środowiska nazywa się

A transformacją В translacją C transkrypcją

D translokacją E transmutacją

Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań

6

Opisz kolejność czynności klonowania genu białka zielonej fluorescencji z meduzy Aequorea w pałeczce okrężnicy.

7

Jakie naukowe odkrycia trzeba było dokonać, aby inżynieria genetyczna stała się rzeczywistością?

8

Jak powstanie technologii inżynierii genetycznej bakterii pomogło medycynie?

9

Jak na schemacie, który ukazany jest na rycinie 61.3, odbywa się oddzielanie kolonii, które zawierają gen docelowy?

10

Wyjaśnij metodę otrzymywania hybrydom. Jak wykorzystuje się hybrydomy?

Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu

11

Jakie są zalety metod inżynierii genetycznej w porównaniu z metodami klasycznej selekcji mikroorganizmów? Dlaczego, nie zważając na to, selekcja mikroorganizmów jest nadal zastosowywana?

12

Hybrydy jakich organizmów udało się otrzymać metodami hybrydyzacji somatycznej? Czy przydatne są te organizmy w nauce i w produkcji?

13

Jak za pomocą somatycznej hybrydyzacji udało się dowiedzieć, na jakich chromosomach człowieka znajduje się określony gen?

Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym

14

Scharakteryzuj potencjalne biologiczne zagrożenia związane ze stworzeniem i wykorzystaniem genetycznie modyfikowanych bakterii.

15

Opowiedz o perspektywach zastosowania genetycznie modyfikowanych organizmów w różnych dziedzinach ludzkiej działalności.

 

Źródło: Biologia podręcznik dla klasy 9 Szałamow

 






^