Genetikailag módosított szervezetek

1. Genetikailag módosított szervezetek

2. Mit jelent az, hogy GMO? Genetically Modified Organism = genetikailag módosított élőlény Genetikailag módosított azt jelenti, hogy nemzedékről nemzedékre öröklődik a módosítás; és azt is jelenti, hogy genetikai módszerekkel módosított.

3. Genetikai módosítást nem csak mostanában végez az ember. • A haszon növények és a haszon állatok jelentősen különböznek a természetben élőktől. Ezek azért különböznek, mert az ember beavatkozott ezen élőlények öröklésébe. • Kezdetben az ember csak kiválogatta a számára kedvező tulajdonságú élőlényeket, és ezeket tenyésztette tovább. A termesztett növények és a haszonállatok legtöbbje ilyen, válogatás és tenyésztés módszerével jött létre.

4. A 20. századra megismertük a genetika alaptörvényeit. • Mendel törvényeiről szinte mindenki tud. A törvények az öröklődés alapszabályait írják le. A törvények ismeretében tervezetté és ezért hatékonyabbá vált az élőlények genetikai anyagának módosítása, vagyis az élőlények megváltoztatása. • A 20. században ismerték azt is fel, hogy a gének és következésképpen az élők tulajdonságai nem csak fokozatosan változhatnak, hanem egyik nemzedékről a következőre nagy változások is bekövetkezhetnek. Ezek a mutációk. Például a virágszín az egyik nemzedékről a másikra a színesből fehérré változik, stb. • Az is kiderült, hogy ilyen változás minden génnel, következésképpen minden tulajdonsággal megtörténhet. Arra is rájöttek, hogy ezek a változások ritkák. Ezért fáradtságos a nemesítés.

5. Kiderült azonban, hogy bizonyos hatások, mint a röntgen vagy a radioaktív sugárzás dózisfüggő módon okoznak mutációkat. Később vegyszerek mutagén hatását is felismerték. Ezek a mutagén anyagok. Ezekkel akár ezerszeresére növelhető új mutációk bekövetkezése, azaz a mutációs ráta. Mutagenezissel lehetővé vált új tulajdonságokkal rendelkező élőlényeket előállítani. A mutációk leggyakrabban funkció vesztést, azaz a tulajdonság elvesztését okozza. A funkcióvesztés okozta előnyös tulajdonságokat hordozó új változatok kiválogathatók. A funkciónyeréses mutációk jóval ritkábbak.

6. A 20. század közepétől a termesztett növények nemesítésében gyakran használják a mutagenezist, mint a nemesítési alapanyag előállításának módját. Az új mutánsok válogatásánál a kiválasztott előnyös tulajdonságokra koncentrálnak. Elkerülhetetlen, hogy a kiválasztott egyed a nemesíteni kívánt tulajdonságot adó génen kívül több más génben ne hordozzon mutációt. Ilyenkor az előnyös tulajdonságok hordozó egyed genetikai hátteréből el kell távolítani, vagy meg nem nyilvánuló formába kell hozni a nem kívánt génváltozatokat. A modern nemesített fajták célratörő, akár erőszakosnak nevezhető genetikai módosítások eredményei. Az új fajta a többi változathoz vagy a nemesítés kiindulási anyagához képest számos gyakran ismeretlen génben is hordoz mutációt.

7. Hasznos-e, vagy káros az ember beavatkozása a haszon növények és állatok genetikai állományába? Milyen következményekkel járt ez? A nemesítés fő szempontját képező tulajdonságok szerint a beavatkozás eredménye az ember számára kedvező. Például: A 20. század közepén zajlott le az úgynevezett ZÖLD FORRADALOM. Amíg a világháború zajlott a Rockefeller Alapítvány pénzügyi támogatásával Mexikóban új gabonafajtákat nemesítettek, amik magas hozamúak, szárazságtűrők és jelentősen fokozzák hozamukat műtrágyázásra. A nemesítéssel és új agrotechnika bevezetésével elérték, hogy míg 1944-ben Mexikó a gabonaszükséglete felét importálta, addig 1956-ra önellátó lett, majd 1964-ben fél millió tonna gabonát exportált. Hasonló Zöld Forradalom zajlott le Indiában egy kicsit később. A hidegtűrő búzafajták (Sears búza) a búzatermelés északi határát tolták ki. Így vált például Kanada búzatermelő országgá.

8. Norman Bourlag a Zöld Forradalom atyja A Zöld forradalom több összetevőből áll. A nemesítésben a hibrid kukorica, új búzafajták, új, nitrát függő rizsfajták a legfőbb jellemzők. A növénytermesztési technológiában az öntözés és műtrágyázás kapott a korábbinál jóval nagyobb szerepet. Az eredmény a mezőgazdasági termelés hatékonysága hatalmasat nőtt. A műtrágya és a növényvédő-szer ipar új munkahelyeket teremtett. A Zöld forradalom az emberiség jobb életét teszi lehetővé. A zöld forradalom nem mind következménye bizonyult előnyösnek. Az intenzív fajták egyeduralkodóvá váltak a termelésben. A termesztett fajták sokfélesége súlyosan csökkent. A termőterületek növelése pedig a természetes diverzitást csökkenti súlyosan. Az intenzív fajták termeléséhez szükséges műtrágyázás, öntözés és a növényvédelem jelentős környezetszennyezéssel jár.

9. A genetika és a molekuláris biológia tudományok fejlődése új lehetőséget nyitott a genomok átalakításában. Ez újabb zöld forradalmat ígér. A GM szervezetek előállítása szempontjából a génmanipulációs eljárások fontosak. A génmanipuláció egy élőlény génkészletének, genomjának célirányos megváltoztatását jelenti. A DNS-t egyes szakaszait úgy szabhatjuk-varrhatjuk, mint egy magnetofon szalagot, vagy, ahogy egy szöveggel bánunk a szövegszerkesztőben. Eközben a kivágott és áthelyezett szakaszok értelme, ez esetben genetikai információ tartalma nem változik.

10. Példák amik genetikai módosítást igényelnének. Nápoly környékén termesztett San Marzano paradicsomfajta súlyos víruskárosodást (CMV, uborka mozaik vírus) szenvedett. A termőterület 90% megsemmisült. A fertőzést levéltetvek terjesztik. Genetikai módosítással a paradicsomfajtát „immunissá” tették a CMV burokfehérje ellen. Penszilvániában az őszibarack és nektarin ültetvényeket a szilva himlő vírus (sharka) fertőzés miatt ki kellet irtani. Levéltetű a vektor. A szilva himlő vírus védettség vírus burok fehérje elleni immunitást eredményező genetikai módosítással kivédhető (Bluebird C-5). A védettség a fertőzött fákon oltvánnyal is megoldható. A módosításokat nem sikerült bevezetni a termesztésbe!

11. Példák transzgénikus élőlényekre Transzgénikus lazacok, amik erős promoter mögött hordozzák a növekedési hormon génjét. képek Szentjánosbogár luciferáz génjét hordozó dohány növény képe Transzgénikus egér. A baloldali egér a patkány növekedési hormonának génjét hordozza.

12. Ruppy

13. Biotechnológia A DNS manipulációs technikákon az 1980-as években létrejött a biotechnológia, ami egyszerre egy tudomány ág és egy ipari célú alkalmazás. A biotechnológia fogalma: a biokémia, a mikrobiológia és a műszaki tudományok olyan integrált alkalmazása, amelynek célja a mikroorganizmusok, a tenyésztett növényi, állati sejtek vagy azok valamely részének technológiai felhasználása.

14. A biotechnológia ágai: mikrobiális biotechnológia növényi biotechnológia állati biotechnológia A növényi biotechnológia: a növények, növényi sejtek, sejt organellumok genetikai programjának megváltoztatását és az így kialakított új képességeik technológiai felhasználását jelenti. A biotechnológia két fő lépésből áll: új tulajdonságokkal rendelkező egyedeket (sejt vagy növény) állítunk elő. Ezek közé tartoznak a GM növények. Az új tulajdonságokkal rendelkező növények felhasználása növénynemesítésre, szaporító anyag előállítására, új növényvédelemi vagy növénytermesztési technológia kidolgozására.

15. Mik a GM (géntechnológiával módosított, transzgénikus, transzformáns) növények? Olyan növények, amik genomjába a géntechnológia molekuláris módszereivel idegen gént (transzgén) juttatnak be és az integrálódik, működik és öröklődik. A hagyományos és a növényi biotechnológia különbözik. A hagyományos biotechnológia a biotermesztést, biokertészet, biohumusz, illetve a bioaktív anyagok (serkentők és gátlók) felhasználását foglalja magába. A növényi biotetchnológia minőségileg újat hoz létre, ami új piacot és új értékeket teremt. Molekuláris és sejtgenetikai, valamint sejt- és szövettenyésztési eljárásokat használ.

16. Növényi biotechnológia módszerei: Géntechnológia Szomatikus sejtgenetika A szaporodás biotechnikája

17. A növényi biotechnológia története Élelmiszeripari színezékként és gyógyszerként használható sikonin előállítása növényi szövettenyészetből (1970, Mitsui cég, Lithospermium erytrorhizon). Termesztett növényfajták mikroszaporításának kidolgozása (nemzeti gazdaságfejlesztési programok). 1979 Edinburgh, konferencián számos növény gén izolálásról, és géntechnológiai módszerről számoltak be. Első transzgénikus növény (dohány) 1983-84. 1986 több vírus- és rovar rezisztens GM növény előállításáról számoltak be. 1994 forgalomba kerül az első GM növény, aminek termesztési területe több ezer hektárt ért el a 90-es évek végére. Napjainkban termesztett GM növények: gyapot, szója, repce, kukorica, paradicsom, burgonya.

18. Biotechnológiai eredetű fajta előállításának sémája A genetikai módosítás a kiválasztott növények in vitro tenyészetében történik. Ezt követően a kultúrából növényeket kell regenerálni, majd szántóföldi kísérletekkel kell igazolni a genetikai módosítás növényszintű manifesztációját és stabil öröklődését. Ezt követően a genetikailag manipulált növények a klasszikus nemesítés, fajtaminősítés rendszerén keresztül válhatnak minősített fajtává, ami a növénytermesztési alkalmazás feltétele.

19. A sejt és szövettenyésztés legfontosabb technikái

20. A növényi biotechnológia és a sejt-növény rendszer két alaptechnikája, a kallusztenyésztés (A és B) és a sejttenyésztés (C és D)

21. A kallusz szelekció hatása a Pucinella distans tenyészetek morfogenezisére

22. Az organogenezis dohány (A) levélkorong tenyészetben, levélkorong eredetű kallusz- (B); gyökér- (C); hajtás (D); és virág differenciálódás (E).

23. Növény szövetek tenyésztési módjai. Növényi részekből, steril körülmények között, glükózt, ásványi sókat, vitaminokat tartalmazó táptalajon auxin és kinetin növényi hormonok jelenlétében néhány hét alatt kallusz képződik. Az auxin/kinetin arány csökkentésével hajtásfejlődés, növelésével gyökérfejlődés indukálható. Önálló sejtekből álló un. szuszpenziós tenyészet technikáját is kidolgozták. A szuszpenzió sejtjei korlátlanul szaporíthatók, belőlük embrió képződés generálható, sejtfal nélküli protoplaszt állítható elő. A tenyésztési technikák optimalizálásával megvalósult a növény  sejt növény rendszer.

24. A genetikai manipulációt a növény sejtjeivel végzik. A sejtek transzformálhatók DNS-el. Protoplaszttá alakítva fuzionáltathatók más növény sejtekkel. Olyan fajok is keresztezhetők így, amik ivaros módon nem. Megváltoztatható ploidiaszíntjük kolhicin kezeléssel. A DNS bejuttatása növény sejtekbe segédeszközöket igényel mikroinjektálás génpuska növényvírus vektorok

25. Az idegen DNS sejtbe juttatásának különböző módjai.

26. Ahhoz hogy a sejtbe bejuttatott DNS öröklődjön, azaz ne vesszen el a sejtek osztódása során, annak be kell ékelődnie a genomba. Ez csak speciális eszközökkel valósítható meg. A gyökérgolyvát okozó baktérium egyik plazmidja pont ezt teszi a természetben.

27. Az Agrobacterium tumefaciens Ti plazmidjának főbb részei. A T-DNS amikor beékelődik a gazdanövény kromoszóma DNS-ébe, beindítja a noplalin szintézisét, amit azután a baktérium használ fel. A T-DNS a növénysejt korlátlan osztódását indítja be, ez eredményezi a golyva kialakulását.

28. A transzgénikus növény létrehozásához először egy kis méretű vektorba építik a kívánt DNS szakaszt. Az itt látható módszerben a köztes vektor rekombinál a „lefegyverzett” Ti plazmiddal, és így létrejön egy kointegrát, ami a T-DNS határ szekvenciái között tartalmazza az inszertet és a kanamicin rezisztencia markert, amiket a T-DNS-el be szeretnénk ékelni.

29. Transzgénikus növény létrehozása T-DNS transzformálta sejtből. A kointegrát plazmidot hordozó Agrobaktérium sejttel fertőzik a növényi sejtet. A sejteket antibiotikummal szelektálják. A transzformált sejtekből kalluszt nevelnek, majd ebből növényt regenerálnak.

30. A T-DNS és minden bele épített DNS, ami beékelődött a kromoszómába egy transzgénikus növényben, mendeli módon öröklődik.

31. A sejtek módosítása után a sejtekből növényt kell regenerálni. A szövettenyésztés nagy szerepet játszik a növényi biotechnológiában. A szövettenyésztés technikája, a táptalajok, a differenciálódást kiváltó kezelések hatalmas fejlődésen mentek át, hatékony technológiává váltak az elmúlt évtizedekben.

32. A kanamicin rezisztencia génjének beépítése a lucerna genomjába.

33. Növénynemesítés és a genetikailag módosított növények A növényi géntechnológia gént, vagy géneket ültet be egy növényi genomba. A GM növény minden sejtje hordozza a beültetett gént. Egy-egy növényfajnak 30-50 ezer génje van. Ezek kb. egy-harmada az alapanyagcserében, egy-harmada a szervek kialakulásában vesz részt, a maradék harmada pedig speciális szervek és szövetek differenciálódásában, működésében vesz részt. A genetikai módosítás lehetősége az is, hogy RNSi-val kikapcsolnak géneket. Ilyenkor nem visznek be új fehérjét. A géntechnológia más fajok génjeit is ugyanúgy bejuttathatja egy növény genomjába, mint a fajazonosakat. Ez a lehetőség fantasztikus távlatokat nyit. A beültetett gének származhatnak vírusokból, baktériumokból, gombákból, növényekből, rovarokból, vagy magasabb rendű szervezetből, állatokból vagy akár az emberből.

35. Az első GM növényt 1983-ban állították elő (kanamicin rezisztencia) 1986-ban már több gazdaságilag hasznosítható GM növényt előállításáról számoltak be, ezek vírus, rovar és herbicid rezisztencia géneket hordoznak. Az első szántóföldi tesztelés 1988-ban kezdődött az USA-ban. A piacon az első transzgénikus növényfajta a későn puhuló paradicsom volt, ezt 1994-ben kezdték árusítana az USA-ban. Ma nagyszámú GM növényt tesztelnek szántóföldi körülmények között.

36. ELSŐ GENERÁCIÓS TRANSZGÉNIKUS NÖVÉNYEK Stratégia: növénytermesztési technológiák segítése, fejlesztése idegen gének bevitelével. Stressz rezisztencia kialakítása Abiotikus rezisztencia Biotikus rezisztencia vírus herbicid baktérium, gomba hő, fagy rovar szárazság, só nehézfém, stb.

37. Biotikus stresszrezisztens transzgénikus növények Virális patogénekkel szembeni rezisztencia Bakteriális fertőzésekkel szemben rezisztens transzgénikus növények Gombarezisztens transzgénikus növények Rovarrezisztens transzgénikus növények

38. Baktérium rezisztencia Állatok antibakteriális fehérjéivel transzformált GM növények A cekropin 35-37 aminosav hosszú rovar peptid génjének beültetése sikeresen megvédte a dohánynövényt a bakteriális fertőzéstől. Nem volt megfelelően hatékony a lizozim (emlősök, bakteriofág) és a laktoferrin (gerincesek). Virulenciafaktorok gátlása A dohányra patogén Pseudomonas syringae toxinja a tabtoxin a növényben a gutaminsav szintézis egy enzimét károsítja. A baktérium saját enzimére azért nem hat, mert a baktériumban egy másik gén terméke inaktiválja a tabtoxint. Ha ezt az inaktiváló gént beültetjük a dohányba, a növény rezisztensé válik a P. syringae fertőzéssel szemben.

39. Gombarezisztens transzgénikus növények Sok mindennel próbálkoztak. Kitináz, kitináz és glükuronáz túltermeltetéssel. Különböző, a patogenezis során védő szerepet játszó növényi fehérjék túltermeltetésével. Aktív oxigénfajták termelésének biztosításával. Teljes gomba rezisztenciát nem sikerült elérni. A gombareisztencia bonyolult, és nem oldható meg egy-két fehérje túltermeltetésével.

40. Rovarrezisztens transzgénikus növények Többféle transzgénnel próbálkoztak Az egyik első megoldás lektineket kódoló gének bevitelével történt. A hóvirág lektin (GNL) elpusztít kártevőket, de nem káros a katicabogárra. Pusztai Árpád kísérlete. Patkányokat etetett GNL-t tartalmazó GM krumplival. Immunológiai rendellenességeket tapasztalt. Nem-GM krumpli és GNL együttes etetése nem bizonyult patogénnek. Kísérleti eredményeit úgy értékelte, hogy káros a GM krumpli immunológiai problémákat okoz. Ez az értelmezés súlyos vitát váltott ki. Tápnövényeink közül sokban található lektin (gabonák, bab, krumpli…). Előfordulnak a lektineknek tulajdonítható ételmérgezések. A Pusztai féle eset lehetséges magyarázata a szomatoklónális variációban lehet. A használt GM krumpli mérgező mennyiségű glükozidot tartalmazhatott. Más, hagyományosan nemesített, reisztens kruplifajtáról (Lenape) derült már ki, hogy mérgező mennyiségű glükozidot tartalmaz.

41. Rovarrezisztens transzgénikus növények 1987-ben állították elő az első rovar rezisztens növényfajtát. A rezisztens növénybe a Bacillus cereus thüringiensis (Bt) d endotoxin génjét ültették be. Ez a crytal like (Cry) fehérje. 170 változatát ismerik. Ez a toxin a rovar belében feloldódik, a rovar emésztőnedvei hatására lehasad róla egy 65-70 kDa méretű N-terminális peptid, ami kilukasztja a bél hámsejtjeit, és megöli a rovart. Különféle toxinfajtákat termelő baktériumokat találtak, lepkékre, rovarokra, kétszárnyúakra specifikusakat. Bt burgonya. 40 %-al kevesebb rovarölő szer mellett termelhető. Termesztik Kanadában, Japánban, Mexikóban, USA-ban. Bt gyapot. 14 %-al többet terem, kevesebb növényvédelmet igényel. Termesztik USA, Ausztrália, Kína, Mexikó, Dél Afrika. Bt kukorica. A kukoricamoly 99 %-a elpusztul rajta. Termesztik: USA, Argentína, Kanada, Japán, EU.

42. Abiotikus stresszre rezisztens transzgénikus növények Herbicid rezisztencia példa Glifozát rezisztencia A glifozát több aminosav bioszintézisének egy enzimét a EPST-szintázt (enol piruvilsikiminsav-3-foszfát-szintáz) gátolja. A növényt egy a glifozátra nem érzékeny, Agrobaktériumból származó EPST-szintázzal transzformálták (konstitutív promotert, és kloroplaszt tranzit peptidet használtak). Glifozát rezisztens Roundup Ready: szója, kukorica, cukorrépa. A Roundup Ready szóját termelnek az USA szója termelő területe 40 %-án. Hasonló stratégiával előállítottak atrazin, glifonizát, imidazonilon, szulfonilurea, foszfinotricin, bromoxinul és rezisztens növényeket is.

43. Glifozát rezisztens Roundup kukorica túléli a gyomirtószer permetezést.

44. MÁSODIK GENERÁCIÓS TRANSZGÉNIKUS NÖVÉNYEK Stratégia: a termék minőségének javítása a növényekből származó gének bevitelével, módosításával. Életfolyamatok módosítása Fejlődés módosítása Anyagcsere módosítása fehérje pigment virágzás metionin tartalom, stb. virágszín, termésszín Hímsterilitás, stb. zsírsav érés alkaloida Arányok, telítettség, stb. szín, puhulás, tárolhatóság, stb. pektin szénhidrát szaporodás cellulóz Keményítő, amilóz tartalom terminátor, stb.

45. A zöld és környezetvédő mozgalmak miatt a GM növények elterjedése korlátozódott. Megjelentek a zárt rendszerben termeszthető második generációs GM növények. A második generációs GM növények speciális minőséget, különleges fogyasztói vagy élelmiszeripari igényt elégít ki. Az igények kielégítése mögött a növény anyagcseréjének, fejlődésének, növekedésének módosítása van. Sikeres második generációs GM növények: paradicsom, repce, burgonya. Ezek köztermesztésbe kerültek.

46. Anyagcseréjükben módosított GM növények Fehérje anyagcsere Aminosav összetétel módosítása a gabonafélék lizinben szegények a pillangós növények metioninban és ciszteiben szegények Végtermék gátlásra érzéketlen (baktériumokból származó), lizin vagy metionin termelés korai enzimeit (aszparaginsav kináz, illetve dihidroxopikolát-szintáz) vitték be növényekbe magspecifikus promoter szabályzása alatt. Repce, szója lizin tartalmát 25-100 %-al sikerült növelni. A metionin tartalmat nem sikerült a végtermék gátlás felfüggesztésével a kívánatos 1,2 % felé emelni. A brazil dió 2S albuminja (BNA2S) 25 g metionint/100 g fehérje tartalmaz. A 2S albuminnal, fazeolin promoter mögött, transzformált szója metionin tartalma 1,8 %. Ez megfelelően magas metionin tartalom.

47. Golden rice, arany rizs Három idegen gén (2 növény és 1 baktérium eredetű gén bevitelével kiváltották a karotin termelést és raktározást a rizsszemekben. Ennek fogyasztása kivédené az A vitamin hiányt azokon a területeken, ahol a fő táplálék a rizs. Humanitárius felajánlás. A vitamin hiány földrajzi eloszlása. A legpirosabb a legsúlyosabb. 124 millió beteg, évi 1-2 millió haláleset, fél millió vakság.

48. Anyagcseréjükben módosított GM növények Szénhidrát anyagcsere keményítő tartalom fokozása a keményítőszintézis kulcsenzime a ADP-glükóz-pirofoszforiláz (AGPáz). Ha E.coli AGPázát beviszik burgonyába a keményítő tartalom 35-50 %-al nő. A magas keményítő tartalmú krumpli sütés közben kevesebb olajat vesz fel, mint az alacsonyabb keményítő tartalmú. keményítő tartalom csökkentése Antiszensz AGPáz hatására a szacharóz tartalom 30, a glükóz tartalom 8 %-al nő. A csemegekukorica édesebb lett evvel a módisítással. keményítő összetételének módosítása A keményítő amilózból és amilopektinből áll. Előállítható amilózmentes, csak amilopektint tartalmazó transzgénikus krumpli. Ez jobb minőségű pürét ad.

49. Anyagcseréjükben módosított GM növények Zsírsav anyagcsere GM szempontból fontos lépései a szénlánc kialakulása zsírsav szintáz C2 alegységekkel hosszabbítja a láncot tioészteráz szabja meg a lánc hosszát telitetlenség létrehozása Nagy laurinsav (C12-0) tartalmú repce kaliforniai babérfa mag olajtartalma 70%-ban laurinsav. repcét babérfa tioészterázzal transzformálták a GM repce olajának 45 % laurinsav, ezt 1995 óta termesztik az USA-ban. (Készült C8-0, C10-0, C14-0 repce is.) Sztearinsav (C18-0) termelő repce sáfrányos szeklice S9 deszaturáz antiszensz formájával transzformált repce. Olaja több mint 40% sztearinsavat tartalmaz.

50. Fejlődésben módosított módosított GM növények Transzgénikus hímsterilitás és hibrid előállítás Növények növekedését, fejlődését érintő beavatkozások A terminátor technológia