Biotechnologia. Temat 4: Genetycznie modyfikowane organizmy

Temat 4: Genetycznie modyfikowane organizmy. 
Posty dotyczące tematu "Biotechnologia" przybierają formę opracowań i zawierają informacje pochodzące z podręcznika "Biologia na Czasie 1 - poziom podstawowy" dla szkół ponadgimnazjalnych wydawnictwa "Nowa Era"; Wikipedii; Wikibooks (podręcznik do nauki biologii dla liceum); podręczników do biologii wydawnictwa "Operon", podręcznika "Biologia" autorstwa Neil Campbell i Jane Reece. W postach tych starałem się zawrzeć istotę danych zagadnień, jednocześnie posługując się wieloma źródłami wiedzy. Poszczególne zagadnienia zostały wypunktowane w celu ułatwienia nauki. 

Punkty:

GMO – zagrożenia i korzyści:

• wyjaśnia cele tworzenia roślin i zwierząt zmodyfikowanych genetycznie

• określa korzyści wynikające ze stosowania zwierząt zmodyfikowanych genetycznie w rolnictwie, medycynie, nauce i przemyśle

• określa rodzaje modyfikacji genetycznych roślin oraz wskazuje cechy, które rośliny zyskują dzięki nim

• omawia kolejne etapy transformacji genetycznej roślin i zwierząt 

• analizuje argumenty za i przeciw genetycznej modyfikacji organizmów

• ocenia rzetelność przekazu medialnego na temat GMO

Inżynieria genetyczna pozwala nam na wprowadzenie genu kodującego dane białko do genomu wybranego organizmu. Można w ten sposób uzyskiwać rośliny i zwierzęta o właściwościach, których otrzymanie metodą selekcji sztucznej trwałoby bardzo długo lub byłoby niemożliwe. 

Mikroorganizmy zmodyfikowane genetycznie uzyskuje się dwoma sposobami. Pierwszym sposobem jest wstawienie obcego genu w plazmid, który umożliwia np. produkcję białka,  następnie wstawienie plazmidu do mikroorganizmu. Drugi sposób polega na wbudowaniu obcego genu w genofor lub DNA jądrowy. Używa się w tym celu wektorów, np. w wypadku bakterii zmodyfikowanych bakteriofagów, które potrafią naturalnie wbudowywać swój DNA do genoforu podczas cyklu infekcyjnego (lizogenicznego). 

I. Rośłiny zmodyfikowane genetycznie

U roślin najczęściej stosowanymi modyfikacjami są nadawanie odporności na pasożyty danego gatunku (np. kukurydza Bt), zwiększanie odporności na niekorzystne warunki środowiska, umożliwienie syntezy farmaceutyków, szczepionek i innych związków chemicznych. 

Popularnymi roślinami uzyskiwanymi w wyniku stosowania metod inżynierii genetycznej są Kukurydza Bt i Bawełna Bt. Wyposażane są one w dodatkowy gen pochodzący z bakterii Bacillus thuringiensis, kodujący białko toksyczne dla niektórych owadów. Rośliny takie nie są niszczone przez szkodniki, co pozwala na rezygnację lub ograniczenie ilości stosowanych pestycydów. Niektóre szkodniki zyskują oporność na toksynę. 

Pożądanymi u roślin cechami użytkowymi są:

- większa odporność na choroby, szkodniki, niekorzystne warunki środowiskowe,

- zwiększona zawartość pewnych składników, np. witamin, albo związków aktywnych,

- zmniejszona zawartość niektórych białek, np. powodujących alergie u ludzi. 

Obce geny wprowadzane są do genomów roślin przy pomocy bakterii z gatunku Agrobacterium tumefaciens, która ma zdolność zakażania roślin. Na początku plazmid, który zawiera wybrany gen wprowadza się do komórki bakterii. Następnie bakteria zakaża roślinę i wbudowuje obcy gen w jej genom. 

II. METODY TWORZENIA ROŚLIN TRANSGENICZNYCH:

a) AGROINFEKCJA - wprowadzenie obcego genu do komórek roślinnych za pośrednictwem zmodyfikowanych plazmidów bakterii z rodzaju Agrobacterium. Wbudowują one podczas infekcji DNA zawarty w plazmidzie w genom jądrowy rośliny.

b) MIKROWSTRZELIWANIE - bombardowanie fragmentów tkanek roślinnych mikroskopijnymi kuleczkami złota lub wolframu pokrytymi obcym DNA (metoda strzelby molekularnej). 

2) Zwierzęta modyfikowane genetycznie:

Modyfikacje genetyczne zwierząt są dokonywane głównie w celu:

a) uzyskania osobników o cechach cennych w hodowli, np. świń lub ryb o zwiększonej masie ciała,

b) pozyskiwania wytwarzanych przez nie białek, które mogą służyć jako składnik lekarstwa lub szczepionki, 

c) naukowym, do badań chorób człowieka oraz testowania nowych metod leczenia. 

Otrzymywanie zwierząt zmodyfikowanych genetycznie jest trudniejsze niż otrzymywanie tego typu roślin, lub innych organizmów. U zwierząt odstęp czasu między kolejnymi pokoleniami jest duży, zaś liczba organizmów potomnych jest niewielka. 

III. Uzyskiwanie zwierząt hodowlanych o cechach użytkowych prowadzi do zwiększenia wydajności produkcji mleka, szybszego przyrostu masy ciała, polepszenia jakości mięsa, wełny, zwiększenia odporności na choroby. 

IV. Pozyskiwanie białek człowieka - stosuje się je w medycynie i farmacji. Do tej pory uzyskano zwierzęta, które zdolne są do produkcji takich białek człowieka, jak np. antytrombina (niezbędna w procesie krzepnięcia krwi), erytropoetyna (stosowana w leczeniu anemii), kolagen i hormon wzrostu. Są one pozyskiwane głównie z mleka, krwi i jaj. 

Antytrombina - antykoagulant, inhibitor trombiny, zapobiega krzepnięciu krwi, wraz z heparyną. 

Erytropoetyna - glikoproteinowy hormon peptydowy, którego funkcją jest stymulacja etapów erytropoezy - namnażania i różnicowania erytrocytów z komórek macierzystych w szpiku kostnym kości płaskich i nasadach kości długich. Erytropoetyna produkowana jest w wątrobie i nerkach. Stosowana jest jako lek w przypadku przewlekłej niewydolności nerek i anemii. 

Kolagen - główne białko tkanki łącznej. Ma wysoką odporność na rozciąganie, jest głównym składnikiem ścięgien. Ma on nietypowy skład aminokwasów. Zawiera duże ilości glicyny i proliny i dwa aminokwasy nie pochodzące bezpośrednio z translacji w rybosomach - hydroksyprolinę i hydroksylizynę. Są one formowane z proliny i lizyny w gotowym produkcie translacji w procesie enzymatycznym, która wymaga obecności witaminy C. Proces ten wymaga stałej obecności witaminy C w organizmie, a zablokowanie syntezy kolagenu powoduje szkorbut. 

Hormon wzrostu (GH - Growth Hormone - Somatotropina) - jest to hormon polipeptydowy produkowany przez kwasochłonne komórki przedniego płata przysadki mózgowej. 

W nauce zwierzęta modyfikowane genetycznie wykorzystuje się do badania chorób człowieka o podłożu genetycznym, testowania nowych leków i terapii. Pozwala to na opracowywanie skuteczniejszych metod leczenia i unikania stosowania eksperymentalnych terapii na ludziach. Najczęściej modyfikuje się myszy, ponieważ wiele ich genów wykazuje duże podobieństwo do genów człowieka pod względem sekwencji i funkcji. 

V. PRZEPIS NA SUPERMYSZ:

Supermyszą nazywamy mysz z hormonem wzrostu szczura. Jest to przykład organizmu transgenicznego. By ją otrzymać postępujemy wg poniższej procedury:

1. Pobierz komórki ciała szczura.

2. Wyizoluj materiał genetyczny z komórek szczura i wytnij enzymami restrykcyjnymi gen hormonu wzrostu.

3. Od samicy myszy pobierz komórkę jajową, a od samca plemnik. Dokonaj zapłodnienia.

4. Do zapłodnionej komórki jajowej, przed połączeniem się jej jądra z jądrem komórkowym plemnika wprowadź gen hormonu wzrostu szczura. Gen ten zostanie następnie wbudowany do genomu zygoty. 

5. Zygotę hoduj w warunkach laboratoryjnych, a następnie wprowadź ją do jajowodu myszy. 

6. Otrzymasz transgeniczną mysz, która przyjdzie na świat w sposób naturalny. 

VI. TRANSGENICZNE SERY:

Zmodyfikowane genetycznie mikroorganizmy mogą stosowane być do usprawniania produkcji sera. W pierwszym etapie produkcji serów stosuje się enzymy, które powodują ścinanie się mleka. Najczęściej używa się do tego procesu podpuszczki - białka wytwarzanego naturalnie w żołądku młodych ssaków. Do niedawna podpuszczkę otrzymywano z żołądków cielęcych. Ponieważ w ciągu ostatnich 20 lat produkcja serów na świecie wzrosła o kilkadziesiąt procent - spowodowało to olbrzymie zapotrzebowanie na ten enzym. Przemysł serowarski zaczął więc stosować transgeniczne bakterie, wytwarzające podpuszczkę dzięki zawartemu w nich bydlęcemu genowi, który koduje ten enzym. 

VII. KONTROLOWANIE GMO:

Bakterie GMO możemy kontrolować dzięki wprowadzeniu do ich DNA genów powodujących ich śmierć w określonych warunkach. Zmodyfikowane w ten sposób są np. bakterie z rodzaju Pseudomonas, rozkładający zanieczyszczenia ropopochodne. Wskutek modyfikacji, niezależnie od warunków zewnętrznych, produkują one toksynę. 

Jeżeli w środowisku znajdują się zanieczyszczenia, bakterie produkują oprócz toksyny również enzymy rozkładające zanieczyszczenia oraz antytoksynę. Antytoksyna łączy się z toksyną, co sprawia, że toksyna jest nieaktywna. Bakterie mogą dzięki temu rosnąć i się rozmnażać. 

Gdy zabraknie zanieczyszczeń produkcja enzymów oraz antytoksyny jest wstrzymana. Stale produkowana toksyna powoduje śmierć bakterii. 

Na koniec propozycja filmu na temat produkcji GMO - autorstwa właściciela kanału "Naukowy Bełkot":