Inżynieria genetyczna i biotechnologia możliwości, potrzeby, obawy

1. Inżynieria genetyczna i biotechnologia możliwości, potrzeby, obawy Wykonał: Jakub Michalski

2. Wstęp Inżynieria genetyczna jest najmłodszym "dzieckiem" biotechnologii, dziedziny nauki i technologii, której obiektem zainteresowań jest wykorzystanie właściwości organizmów żywych dla dobra i pożytku ludzi. Pierwsze kroki tego "dziecka" śledzone są przez społeczność światową ze szczególną uwagą i niepokojem, który nie jest do końca uzasadniony. Nadzieje wiązane z inżynierią genetyczną dotyczą przecież perspektyw terapii chorób dotąd nieuleczalnych, takich jak mukowiscydoza lub wrodzony brak odporności, oraz zastąpienia dotychczasowych terapii nowymi, bardziej efektywnymi.

3. Obawy przed inżynierią genetyczną dotyczą zagadnienia granic, do których można się posunąć, ingerując w procesy życiowe organizmów. Szczególnie dotyczy to człowieka, tym bardziej, że ingerencja ta obejmuje już sam początek życia. We współczesnej biotechnologii nie brakuje tematów, które powinny stać się przedmiotem rozważań etycznych. Tak jest ze wszystkim, co nowe, tym bardziej, że bioinżynieria stanie się już wkrótce potężnym narzędziem w ręku lekarzy, producentów żywności i niestety również producentów nowych rodzajów broni. Atmosfera nieufności powinna jednak ustąpić rzeczowej analizie pewnych faktów, z którymi warto się zapoznać.

4. Inżynieria genetyczna Inżynieria genetyczna – ingerencja w materiał genetyczny organizmów, w celu zmiany ich właściwości dziedzicznych. Polega ona na wprowadzaniu do komórek organizmu, którego cechy chcemy zmienić (biorcy), określonego odcinka DNA innego organizmu (dawcy). Odpowiednie fragmenty DNA wycina się z DNA dawcy za pomocą enzymów restrykcyjnych. Następnie tak wydzielone fragmenty DNA wprowadza się do komórek biorcy za pomocą specjalnych przenośników (wektorów). W tej roli wykorzystywane są m.in. wirusy, plazmidy, kosmidy. Wprowadzone do komórki biorcy wraz z przyłączonym fragmentem DNA dawcy umożliwiają namnażanie się w niej genów zawartych w tym DNA.

5. Biotechnologia Biotechnologia – to połączenie zastosowań wiedzy i techniki w dziedzinie biochemii, mikrobiologii i nauk inżynieryjnych w celu technologicznego wykorzystania właściwości drobnoustrojów, kultur tkankowych lub elementów budowy komórki (np. enzymów) Cząsteczka insuliny

6. Możliwości

7. Stosowane narzędzia w inżynierii genetycznej • Enzymy restrykcyjne, restryktazy, enzymy z grupy endonukleaz, wykazujące dużą specyficzność substratową. Rozpoznają one specyficzne, krótkie sekwencje nukleotydowe (zwykle 4 do 6 par zasad) i przecinają nici DNA (kwasy nukleinowe) w obrębie sekwencji (lub w pewnej od niej odległości) w ściśle określonych miejscach. Występują w komórkach bakteryjnych, gdzie służą do niszczenia obcego DNA, np. bakteriofagowego. Obecnie uzyskano już ponad 100 różnych enzymów restrykcyjnych, których nazwy wskazują na źródło ich pochodzenia, np.: EcoRI pochodzi z plazmidu pałeczki okrężnicy. Enzymy restrykcyjne służą do otrzymywania ściśle określonych odcinków DNA, ich odkrycie stało się podstawą rozwoju inżynierii genetycznej. Bakteriofag

8. Wyizolowane DNA dawcy (tworzenie banków genów)- odkrycie dwóch typów enzymów przyczyniło się w dużej mierze do rozwinięcia technik klonowania DNA. Pierwszy z nich to enzymy restrykcyjne - tnące DNA każdego organizmu na powtarzalny komplet fragmentów. Wyizolowany z komórki organizmu dawcy DNA jest następnie poddawany technikom elektroforetycznym, pozwalającym rozdzielić uzyskane fragmenty, a następnie wyizolować dany fragment DNA. Drugi typ enzymów to ligazy. Bank genów(biblioteka genowa), zestaw fragmentów DNA składających się na kompletny genom (lub pełny zestaw produktów transkrypcji) danego organizmu; powstaje w wyniku klonowania DNA chromosomalnego (obejmuje cały materiał genet. danego gat.)

9. Enzymy łączące (ligazy) i prowadzące końcową „obróbkę” (egzonukleazy) • Ligazy DNA - enzym łączący wolne końce cząsteczek DNA. Łączenie DNA następuje poprzez wytworzenie wiązania fosfodiestrowego pomiędzy końcem hydroksylowym 3` a końcem fosforowym 5` w reakcji zależnej od adenozynotrójfosforanu (ATP). Ligaza podczas naprawy nici DNA

10. Egzonukleazy - enzymy należące do klasy hydrolaz, które działając na jedno- lub dwuniciowe DNA i RNA powodują odłączenie nukleotydów od końców ich łańcuchów. Ze względu na kierunek, w którym działają, wyróżniamy 5'- i 3'-egzonukleazy. Te działające w kierunku 3'→5' spełniają ważną funkcję, sprawdza bowiem, czy ostatni przyłączony nukleotyd jest prawidłowy.

11. Komórki biorców (bakterie lub proste komórki eukariotyczne) - komórka stanowi podstawową jednostkę strukturalną tworzącą wszystkie organizmy żywe. Ze względu na stopień komplikacji budowy dzieli się je na eukariotyczne i prokariotyczne. Komórka eukariotycznawykazuje bardziej złożoną budowę od prokariotycznej. Zawiera ona jądro komórkowe oddzielone od cytoplazmy specjalną otoczką jądrową. Materiałem genetycznym w jądrze komórki eukariotycznej jest DNA. Cząsteczka tego kwasu nukleinowego upakowana jest w formie chromosomów - mocno poskręcane nici DNA , owinięte na białkach histonowych. Komórki eukariotyczne najczęściej posiadają jedno jądro, znane są jednak przykłady komórek wielojądrowych ( megakariocyty, komórki mięśniowe), różnojądrowych (orzęski ) oraz bezjądrowych (erytrocyty u ssaków , rurki sitowe roślin).

12. 2. Konstruowanie wektorów (cechy dobrego wektora) WektoryChcąc wprowadzić fragment obcego DNA do komórki biorcy, w celu uzyskania replikacji i/lub ekspresji, jednocześnie unikając jego degradacji należy sie posłużyć wektorem. Wektory są cząstkami DNA, mającymi zdolność do autonomicznej replikacji w danym typie komórek, zapewniając tym samym powielenie wprowadzonego fragmentu, a często również ekspresje zawartej w nim informacji genetycznej (wektory ekspresyjne). Aby cząstka DNA mogła być wektorem musi mieć następujące elementy: • Sekwencje odpowiedzialne za inicjacje replikacji • Jedno (tylko jedno) miejsce rozpoznawane i cięte przez enzym restrykcyjny, • Geny markerowe pozwalające na selekcje komórek stransformowanych (tych, które przyjęły wektor) i zrekombinowanych. Niestety nie ma uniwersalnych wektorów dla wszystkich rodzajów komórek. Różnice w przebiegu poszczególnych etapów ekspresji genów u rożnych gatunków, rodzą potrzebę stosowania rożnych wektorów, w zależności od biorcy. Cechy dobrego wektora (pojemność, zdolność inkorporacji do genomu komórki docelowej, usunięte wszystkie geny wirulencji).

13. 3. Wprowadzanie zrekombinowanego DNA do komórek (cel – namnażanie pożądanych genów [klonowanie]) Klonowanie genów- w genetyce i biologii molekularnej proces wyosobniania genu. Polega na łączeniu fragmentów materiału genetycznego z wektorem molekularnym i ich namnażaniu w innym organizmie. Otrzymuje się w ten sposób wiele kopii tego samego genu. Termin klonowanie genów odnosi się też do identyfikacji genów poprzez wykorzystanie procedury klonowania genów. Jeśli pojedynczy fragment genomu jest przenoszony z jednego wektora do drugiego, taki proces określa się mianem subklonowania.

14. 4. Ekspresja wprowadzonego genu Wprowadzony preparat genowy musi dotrzeć do jądra komórkowego, ponieważ tylko tam może ulec ekspresji w wyniku której powstanie białko o działaniu terapeutycznym. Jednakże droga od podania preparatu do powstania zamierzonego efektu jest długa. Preparat genowy napotyka na niej wiele barier często uniemożliwiających powstanie efektu terapeutycznego. Do głównych barier zalicza się degradację preparatu przez nukleazy obecne w surowicy oraz nukleazy komórkowe.

15. Potrzeby

16. 1. Nowe szczepionki, np., przeciw malarii, kile, a także modyfikowanie starszych szczepionek tak, by nie wywoływało skutków ubocznych (AIDS - przykład choroby, przeciw której nie udało się dotąd otrzymać szczepionki z powodu wielkiej zmienności wirusa HIV).

17. 2.Wytwarzanie nowych leków białkowych lub peptydowych – substytutów naturalnych związków występujących w organiźmie.

18. 3.Kierowanie leków wprost do chorych tkanek (np. zmienionych nowotworowo), z wyeliminowaniem działania na cały organizm – potrzeba znalezienia odpowiednich specyficznych nośników leków w organizmie.

19. 4. Terapia genowa – przenoszenie genów między organizmami, otrzymywanie komórek transgenicznych i ich transplantacje do organizmów z wadami genetycznymi.

21. 5. Wytwarzanie specyficznych substancji (witamin, aminokwasów, peptydów, białek, antybiotyków, odczynników chemicznych) wykorzystywanych w żywieniu zwierząt i człowieka, w medycynie, w chemii.

22. 6. Opracowanie metody kontrolowanej regulacji odporności roślin uprawnych na używane w praktyce rolniczej herbicydy (środki chwastobójcze).

23. 7. Wykorzystywanie mikroorganizmów dla potrzeb ochrony środowiska.

24. Obawy

25. 1. Manipulacje genetycznewykonywane na zwierzętach (w przyszłości – także na człowieku) o trudnych do przewidzenia skutkach.

27. 2. Otrzymywanie nowych niespotykanych w przyrodzie organizmów o nieznanych (być może szkodliwych dla człowieka lub przyrody) właściwościach. 3. Rozpowszechnianie genów chorób wirusowych. 4. Ułatwienie nowotworowych transformacji komórek.

28. 5. Rozpowszechnienie wśród bakterii chorobotwórczych genów odporności na szereg antybiotyków. 6. Niebezpieczeństwa związane z techniką rekombinowania i klonowania DNA, np. prace z genami niebezpiecznych toksyn bakteryjnych; rozprzestrzenianie się bakterii wytwarzających niebezpieczne toksyny.

29. 7. Wykorzystywanie w badaniach bakterii Escherichia coli – symbionta przewodu pokarmowego człowieka (możliwość niekontrolowanego wniknięcia do organizmu patogennych odmian tej bakterii).

30. 8. Zabezpieczenie laboratoriów pracujących metodami inżynierii genetycznej: • zaniechanie badań z użyciem najgroźniejszych bakterii • prowadzenie badań na szczepach, które na skutek mutacji utraciły zdolność do życia w warunkach naturalnych • stosowanie filtrów izolacyjnych przy badaniu wirusów onkogennych

31. Podsumowanie

32. Inżynieria genetyczna i biotechnologiczne wykorzystanie jej wyników to nauka i technika, które wywrą wielkie piętno na rozwoju ludzkości w przyszłym wieku. Największe perspektywy rozwoju biotechnologii związane są z postępem badań nad strukturą i funkcją białek i kwasów nukleinowych. Ważnym elementem poznania istoty procesów genetycznych jest znajomość sekwencji nukleotydów w kwasach nukleinowych. Już w niedługim czasie poznana zostanie kompletna sekwencja nukleotydowa dużych wirusów, zawierających kwasy nukleinowe zbudowane z ok. 200000 nukleotydów. W przyszłości należy się spodziewać poznania struktury genomu komórek eukariotycznych, jest już w trakcie realizacji program pełnego rozszyfrowania budowy DNA człowieka.