Biotehnologii moderne

1. Biotehnologiimoderne Ingineria genică

2. Obiective operaţionale: • Definiţia noţiunilor de inginerie genică, ADN-recombinat; • Distingerea etapelor ingineriei genice cu descrierea lor; • Estimarea, în baza surselor informaţionale, importanţa ingineriei genice; • Argumentarea pro- şi contra-utilizării OMG-urilor;

3. Motoul lecţiei:Cunoştinţele sunt ca viţa de vie care se agaţă de un suport. Agaţă-te şi tu de cele studiate anterior.

4. Fiecare grădină îşi are misterele sale, pe care doar mâna răbdătoare a grădinarului e capabilă a le descifra P.Coelho

5. În baza analizei textului de le ecran definiţi cu cuvintele proprii noţiunile de inginerie genică şi ADN-recombinat.

6. Ingineria genică poate fi definită drept ansamblu de metode si tehnici prin care este posibilă manipularea materialului genetic la nivel celular si molecular pentru a obţine pe căi netradiţionale produsi utili omului si genotipuri noi, având la bază tehnologia moleculelor recombinate (hibride) de ADN.

7. Ingineria genică se profilează ca direcţie stiinţifică si tehnologică în anii '70. Apariţia • ei a fost determinată, în primul rând, de aprofundarea cunostinţelor de genetică la nivel celular • şi molecular, de dezvoltareacunostinţelorprivindmaterialul genetic al organismelor vii, sianume:

8. · descoperireamecanismelorprincipale de transmitere a informaţieiereditare:transformaţia (A. Avery, C. MacLeod, M. MacCarty, 1944) – prinintermediulfragmentelor de ADN; sexducţia (J. Lederberg, E. Tatum, 1946) – princonjugareabacteriilorsitransducţia (J. Lederberg, 1952) – cu ajutorulfagilor; · descoperireastructuriimoleculei de ADN (J. Watson, F. Crick, 1953); · descoperireasiizolareaenzimelor de restricţiesilegare a fragmentelor de ADN(H. Smith, 1970); · descoperirea fenomenului transcripţiei inverse a informaţiei genetice de la ARN laADN (H. Temin, S. Mizutani, D. Baltimor, 1970); · descoperirea sintezei chimice a genelor (A. Kornberg, 1967; H. Khorana, 1970,1976). ·

9. Datorită cercetărilor de genetică moleculară, a fost posibilă cunoaşterea structurii deprofunzime a unor gene şi genomuri, fapt ce a condus la elaborarea tehnologiei ADN-uluirecombinatşi la transferul de gene pestebarierele de specie.

10. În baza textului de la ecran, enumăraţi etapele ingineriei genice cu descrierea lor

12. . Tehnica recombinării genetice în vitro include trei etape principale: 1) extragerea sau sinteza chimică a ADN-ului din diferite specii; 2) construireaunei molecule hibride (recombinate) de ADN; 3) reintroducerea moleculei recombinate de ADN într-o celulă vie pentrureproducereasiexpresiaei (fig. 1).

13. Fig 1. Etapele principale ale ingineriei genice.

14. Vă propun să vizualizaţi secvențe Video despre etapele ingineriei genice.

15. Vă propun să reflectaţi importanţa ingineriei genetice şi să ne comunicaţi despre succesele oamenilor de ştiinţă în acest domeniu pe baza cunoştinţelor anterioare de la temele ameliorarea organismelor

16. Realizările ingineriei genice Datorită cercetărilor în tehnologia ADN-ului recombinat, au fost elaborate metode de transfer de gene în celuleleprocariote, care pot sintetizamulteproteine utile. Astfel, a devenit posibilă producerea si chiar comercializarea pe scară largă a unor hormoni (insulina, somatostatina, somatotropina), a interferonului, a preparatelor de diagnosticareetc

17. Din 60 de milioane de diabetici, circa 4 milioane necesită un tratament cu insulină. În 1916, E. Sharpy-Schafer a descoperit că insulina este secretată de celule care alcătuiesc insulele Langherhans din pancreas, ceea ce l-a determinat să numească hormonul insulină. În 1921, F. Banting si H. Best, la Toronto, au izolat din pancreasul de câine hormonul insulină, demonstrând acţiunea lui antidiabetică. În 1923, firma farmaceutică americană „Eli Lilly” pune deja în vânzare prima insulină animală (în prezent, pentru a obţine circa 100 grame de insulină, este nevoie de 800 kg de pancreas de bou (greutatea medie a unui pancreas de bou este de 200-250 grame)).

18. Insulina umană este alcătuită din două catene polipeptidice A si B, compuse respectivdin 21 si 30 de aminoacizi, a căror secvenţă a fost stabilită în 1955 de F. Sanger. În perioada 1963-1965, trei grupe de cercetători (americani, germani si chinezi) aureusit sinteza artificială a insulinei prin intermediul a 170 de reacţii chimice, lucru ce făceaimposibilă producerea insulinei pe cale industrială. Noile tehnologii industriale de obţinere a insulinei umane au fost posibile odată cuextragerea genei insulinei (W. Gillbert si colaboratorii săi, 1980) si crearea moleculelorrecombinate de ADN în baza plasmidelor (fig.3).

20. Moleculele recombinate de ADN sunt transferate în colibacili (Escherichia coli), unde are locrealizareainformaţieigeneticecodificate în molecula de ADN. Paralel cu proteinelespecifice bacteriei, se sintetizează si insulina. Pentru a proteja insulina umană (ea nu esteproprie colibacililor si este distrusă de enzimele bacteriene), în molecula recombinată de ADNse încadrează, pe lângă gena insulinei, si o genă reglatoare care codifică o proteină specificăcolibacililor (de exemplu galactozidaza). Ca rezultat al manifestării informaţiei genetice amoleculei recombinate de ADN, se obţine o catenă polipeptidică hibridă, din care mai apoi sesepară insulina

21. Datorită utilizării tehnologiei ADN-ului recombinat, se obţin aproximativ 200 grame de insulină de pe 1 m3 de mediu de cultură, adică tot atâta cât se poate extrage din aproape 1600 kg de pancreas de bou sau porc. Probele clinice efectuate cu insulina umană, produsă prin tehnici de inginerie genică, au demonstrat că ea nu are efecte secundare si că poate fi comercializată, adică folosită la tratareabolnavilor de diabet (din 1982 în SUA, din 1983 în Marea Britanie).

22. Un hormon de mare importanţă biologică este hormonul de crestere sau somatotropina (HGH – Human Growth Hormone), secretat de lobul anterior al hipofizei. Moleculahormonului cuprinde 191 de aminoacizi. Absenţa lui provoacă nanismul hipofizar, ce are o frecvenţă de 7-100 per milion de persoane. Tratamentul cu acest hormon se realizeazăîncepând cu vârsta de 4-5 ani si până la puberitate, în doze de minimum 6 mg pe săptămânăper persoană. Somatrotopina este un hormon cu o specificaţie înaltă si nu poate fi utilizat de laanimale. Din hipofizaunuicadavru se extragdoar 4-6 mg de hormon, heterogensiimpurificat. Iată de ce, producerea acestui hormon prin tehnici de inginerie genică prezintă uninteresdeosebit.

23. b) Obţinereainterferonilor. Interferoniisuntprodusi de celulespecializatepentruluptaîmpotrivainfecţiilorvirale. Ei au fostdescoperiŃi în 1957 de F. Isaacs siI. Lindenmannla Institutul Naţional de Cercetări Medicale de lângă Londra. Interferonii reprezintă niste substanţe proteice (din 146-166 de aminoacizi) si sunt produsi în cantităţi infime de celula animală sau umană, când unvirus pătrunde în organism. Există mai multe tipuri de interferoni: interferonul leucocitar (α), interferonul fibroblastelor (β) siinterferonullimfocitelor T sauinterferonulimun (γ). Ei pot fi obţinuţi prin tehnici clasice (din celulele sanguine si din fibroblaste) si printehnici de recombinare genică

24. Pentru a obţine interferon din celulele sanguine sau din fibroblastele cultivate, acesteasunt infectate cu un virus, iar după 24 de ore prin centrifugare si purificare se izolează dinmediul de cultură. Dintr-un litru de sânge se poateextragepânăla 1 mkg (10-3 grame) deinterferon. În 1980, savanţii americaniW. Gilbert siC. WeissmannsijaponezulT. Tanigukiauprodusinterferonuluman cu ajutorulunorcolibacili cu genomulmodificat.

25. Celulele de E. coli nu pot transformapredecesorulinterferonului în interferon activ, deaceea, iniţial, complexul de ADN, format dintr-o regiune nucleotidică reglatoare si o regiunece determină structura interferonului, este supus acţiunii enzimelor de restricţie, care taiemolecula de ADN aproximativ la frontiera acestor două catene (genei interferonului nu-iajunge un triplet ATG). Codonul omis (ATG) este anexat prin sinteză chimică.Gena interferonului se încadrează în continuare într-un plasmid, care se transferă în E.coli. Astfel, colibacilii sintetizează interferonul uman. Dintr-un litru de suspensie de E. coli(circa 1011 celule) se pot extrage până la 5 mg de interferon (adică de 5000 de ori mai multdecât din 1 litru de sânge). Tehnicile de inginerie genică permit obţinerea preparatelor hibride de interferon cu unspectrularg de acţiune.

26. Transferul de gene în celulelevegetalesianimale. Tehnicile de recombinare genetică permit transferul genelor importante în celulele de plantesianimale, iar în rezultat se obţin plantesianimaletransgenice. Pentrutransferul de gene la plantesuntutilizatebacteriileAgrobacterium tumerfaciens(descoperite în 1907 de E.Smith si C. Townsend), care provoacă formarea unor tumori cancerogene (crown gall) petulpinileunorplante (la speciile din 93 de familii de dicotiledonate). Plasmidul Ti (tumor inducing) descoperit la A.tumefaciens cauzează tumori la plante printransferulunui segment de ADN (ADN-T) din plasmid în celulelevegetale

27. Strategia pentru transferul genelor cu ajutorul plasmidului Ti în celula vegetală include: · introducereasegmentului de ADN-T într-un plasmid de E. coli; · introducerea în plasmidul format a genei necesare si a genei marker (gena pentru rezistenţă la canamicină); · introducereaplasmiduluirecombinat în Agrobacterium tumerfaciens; · infecţia cu A.tumerfaciens a plantelor respective; · selectareaplantelortransformate (fig.4). Pentru realizarea transferului de gene în celula vegetală este utilizată metoda culturilor de celulesiţesuturi în vitro. Firma americană „Monsanto” comercializează deja plante transgenice (transformate)de cartof, rezistente la gândacul de Colorado.

28. O realizare remarcabilă în domeniul transferului de gene în celula animală o constituieşoarecii transgenici. Gena hormonului de creştere de la şobolan a fost transferată prinmicroinjecţii în cele două nuclee ale ovulului proaspăt fecundat de la soarece (în fiecarenucleu câte circa 600 copii ale genei hormonului de creştere).Ovulele fecundate (170) au fostimplantate în oviductuluneifemele-receptor. Înconsecinţă, s-au obţinut 21 de soricei. La 6 dintre ei s-a constatat o cantitate mărită ahormonului de creştere (de 100-800 de ori). Aceşti şoricei aveau o creştere mult mai rapidă şi prezentau greutăţi corporale superioare animalelor-martor

29. Transferul de gene cu ajutorulplasmidului Ti în celula vegetal

30. Priviţi secvențe din filmuleţul”Organismemodificate genetic”şi enumeraţi în baza celor audiate la lecţie argumente pro- şi contra- utilizării produselor mutagene(PMG)

31. ARGUMENTE PRO- 1. Un secol de cercetare si perfecţionare genetică în plante si animale a făcut ca alimentele să fie mai multesi să fie mai ieftine decât în orice perioadă a istoriei omenirii. Perfecţionarea acestor tehnologii va trebui săcontinue si în secolul 21, fără a fi necesară defrisarea masivă a mii de hectare de pădure si transformareaacestora în terenagricol. 2.Varietăţi de plante modificate genetic ca porumb, bumbac, cartofi, soia si altele au mărit producţia pehectar si au redus folosirea ierbicidelor aducând astfel un aport deosebit la protecţia mediului înconjurător.

32. 3.Biotehnologia ajută oamenii de stiiţă la decoperirea plantelor care ajung la maturitate mai repede,tolerează mult mai bine seceta sau scăderi de temperatură pronunţate si au un nivel nutritiv foarte ridicat. • 4.Ajută de asemenea la dezvoltarea uleiurilor de gătit care sunt mult mai sănătoase, cu un nivel scăzut degrăsimi, la dezvoltarea unor legume cu un gust mai bun care au un nivel mare de antioxidanţi, care combatcancerul si alte boli cronice. • 5.De asemenea, s-au creat plante care ajută la fabricarea plasticuluibiodegradabil sau plante medicinale care ajută la combaterea si tratarea unor boli.

33. Utilizareaplantelortransgeniceprezintãurmãtoareleavantaje: - se reduce consumul de pesticide (insecticide, fungicide, erbicide) si implicit poluareamediuluisi a produseloragricole; - crescproductiile, prindiminuareapierderilorcauzate de boli, dãunãtori, buruieni; - se îmbunãtãtestecalitateaacestora (continutridicat în nutrienti, gust, culoare, rezistentã la pãstrare); - se reduccosturile de productie, prineliminareaunortratamentechimice, în general, foartecostisitoare; - se îmbunãtãtestecalitateaapelorfreaticesi de suprafatã, prinreducereareziduurilor de pesticide.

34. ARGUMENTE CONTRA- 1.plantele modificate genetic, suntdăunătoare organismului, sunt producătoare de boli cancerigene, alterează terenurile agricole si implicit solul etc 2.Rachel Carsonsubliniază că “folosirea de către omenire a tehnologiilor agricole moderne, ar putea duce la catastrofe, economice si de sănătate, catastrofale prin folosirea ierbicidelor, a îngrăsămintelor si a plantelor modificategenetic.” 3. Organismelor vii le-ar putea fi insinuate virusuri producând boli care să nu apară decât după mai mulţi ani . 4. Boli transmise prin alimentele transgenice

35. 6.Plasmidul Ti (tumor inducing) descoperit la A.tumefaciens cauzează tumori la plante prin transferul unui segment de ADN (ADN-T) din plasmid în celulele vegetale. 5.Robert Havenaar şi ale colegilor săi de la Institutul de Nutriţie din Zeist, Olanda, care afirmă: “Genele rezistente la antibiotice pot trece din alimentele transgenice în bacteriile din aparatul nostru digestiv, transformându-le în bacterii încă necunoscute care pot să provoace organismului uman un rău inimaginabil”. Până acum, se credea că genele modificate din alimentele îngurgitate de om sunt îndată distruse de enzimele din stomac.Se pare ca nu este asa .

36. Tema pentru acasă:1.completarea portofoliului cu informaţia respectivă.2.alcătuiţi un rebus cu noţiunile cheie ale lecţiei.3.Elaboraţi un referat cu tema “Aplicareainginerieigeniceîn medicină”