GMO od kuchni

Wejdźmy kuchennymi drzwiami do świata nauki i popatrzmy naukowcom na ręce, by dowiedzieć się w jaki sposób otrzymuje się tajemnicze GMO.

 

GMO od kuchni

 

Genetycznie zmodyfikowane organizmy - czym są i jak się je tworzy? Jakie możliwości dają manipulacje na materiale genetycznym i co tak naprawdę one oznaczają? Żeby uzyskać odpowiedź na te pytania, wejdźmy kuchennymi drzwiami do świata nauki i popatrzmy naukowcom na ręce, by dowiedzieć się w jaki sposób otrzymuje się owo tajemnicze GMO.

Każdy organizm zbudowany jest z komórek. Choć różnią się one od siebie zarówno kształtem, wielkością, jak i funkcją, wszystkie posiadają w swoich jądrach jednakowe spiralne cząsteczki, czyli DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy). Cząsteczki te są nośnikami informacji genetycznej i stanowią matryce dla syntetyzowanych białek. Każda komórka posiada więc zaszyfrowaną informację o budowie wszystkich białek znajdujących się w organizmie, nawet jeśli sama ich nie wytwarza. Informacja ta to genotyp, zestaw genów jednego osobnika. Gen zatem jest odcinkiem DNA, w którym zakodowana jest informacja o budowie konkretnego białka wpływającego na daną cechę organizmu.

Wyobraźmy sobie restaurację, w której pracuje wielu kucharzy - to nasz organizm i budujące go komórki. Mimo, iż każdy kucharz posiada książkę z przepisami na każde danie serwowane w lokalu, to przecież nie korzysta z nich wszystkich. Podzieleni są oni na grupy odpowiedzialne za konkretne prace – jedni robią sosy, inni makarony, bądź desery itd. Dzięki tej współpracy w kuchni panuje ład, a klienci na czas otrzymują zamówione dania. Tak właśnie funkcjonuje nasz organizm. Przepis na każdą cząsteczkę białka zapisany jest w naszej księdze, czyli w DNA. Jest ona uporządkowana w taki sposób, że komórka z łatwością jest w stanie odnaleźć potrzebny fragment i z niego skorzystać, by „zrealizować otrzymane zamówienie”.

Każdy organizm posiada charakterystyczny dla siebie zestaw genów, a więc cząsteczki DNA zawarte w komórkach poszczególnych organizmów różnią się między sobą. Różnice te są tym większe, im dalszy jest stopień pokrewieństwa między osobnikami. Jednak kod genetyczny jest uniwersalny, to znaczy, że zapis o budowie danego białka jest identyczny w każdym organizmie w którym ono występuje, nawet jeśli organizmy te są na tyle daleko spokrewnione, że nie mogą mieć wspólnego potomstwa. Powróćmy do naszej kuchennej analogii i załóżmy, że omawiana uprzednio jadłodajnia jest pizzerią, czyli należy do rodzaju z rodziny lokali serwujących kuchnię włoską. Jej jadłospis zbliżony jest zatem bardziej do menu innej włoskiej restauracji, choćby ekskluzywnej, niż do specjałów z kuchni chińskiej nawet wtedy, gdy ich szefowie posługują się jednym językiem. Poza bliźniętami jednojajowymi, każdy osobnik posiada wyjątkowy zestaw genów. Tak samo jedno danie zamówione w dwóch różnych lokalach może smakować zupełnie inaczej. Konkurencja na rynku zmusza bowiem kucharzy do ciągłego ulepszania swoich wyrobów. Tylko najlepiej przystosowani do panujących warunków osiągają sukces. Analogicznie prawo doboru naturalnego zmusza do walki o byt i warunkuje zmienność wśród organizmów. Dzięki DNA osobniki, które przeżyły, przekazują potomstwu swoje cechy przystosowawcze. Nic więc dziwnego, że u organizmów rozmnażających się płciowo tak ważną rolę odgrywa dobór odpowiedniego partnera. Jako nosiciel połowy genów wspólnego potomstwa powinien on odznaczać się cechami umożliwiającymi przetrwanie.

Odkąd człowiek nauczył się pozyskiwać pokarm dzięki prowadzeniu hodowli, stało się dla niego istotne poszukiwanie jak najlepszych cech u roślin oraz zwierząt. Stosując odpowiednie zabiegi, takie jak krzyżowanie oraz selekcja, mógł on w pewnym stopniu wpłynąć na jakość uzyskanych plonów oraz przychówku. Metody te są jednak czasochłonne i nie umożliwiają dokładnej selekcji pożądanych cech z puli genowej nawet najznakomitszych rodziców.

Naprzeciw marzeniom hodowców wyszła nauka. Dzięki rozwojowi biologii molekularnej zyskaliśmy możliwość manipulacji komórkowymi procesami odpowiedzialnymi za przekazywanie cech następnym pokoleniom. Posiadając dostateczną wiedzę można przestać korzystać z książki kucharskiej matki natury i zacząć tworzyć własne, niepowtarzalne kombinacje: wpływać na aktywność genów oraz wprowadzać do organizmów ich dodatkowe kopie, poprawiając w ten sposób wybrane przez nas cechy. Realna staje się również wymiana genów pomiędzy odrębnymi gatunkami. 

8c73fd579a98f844051d943f5bae4385.png budowa DNA i biosynteza białka

Przepis na GMO (ang. Genetically Modified Organizm), czyli organizm, którego materiał genetyczny został zmieniony w sposób niezachodzący w warunkach naturalnych.

Składniki :

  • geny dawcy – wyizolowany gen warunkujący pożądaną przez nas cechę;
  • organizm poddawany modyfikacji – a dokładniej jego pojedyncze komórki;
  • geny selekcyjne (markerowe) – warunkują odporność na antybiotyki lub herbicydy;
  • geny reporterowe (wizualizujące) – powodują syntezę barwnika;
  • restryktazy – enzymy nazywane nożycami inżynierii genetycznej, które rozpoznają i tną specyficzne sekwencje DNA; powstałe w ten sposób wolne końce nici można dopasować do innych cząsteczek DNA poddanych podobnemu zabiegowi;
  • ligaza DNA – enzym, który skleja pocięte fragmenty DNA, tworząc pomiędzy nimi odpowiednie wiązania chemiczne;
  • wektor – wprowadza pożądane geny do komórki:
    • wektor plazmidowy, wyizolowany z Agrobacterium tumefaciens lub Agrobacterium rhizogenes; kuliste cząsteczki pozajądrowego DNA posiadające zdolność wnikania do komórek roślinnych i wbudowywania do ich genomu informacji genetycznej wywołującej choroby;
    • retrowirusy, czyli wirusy, których informacja genetyczna zapisana jest na RNA i przepisywana na DNA w zainfekowanych komórkach;

Sposób przygotowania:

Przed wykonaniem jakichkolwiek prac musimy wyizolować i rozmnożyć gen, który planujemy wprowadzić do modyfikowanego organizmu. Odczytywanie kolejności par zasad azotowych na cząsteczce DNA nosi nazwę sekwencjonowania. Informacje na temat poznanych genomów zamieszczane są w powszechnie dostępnych bazach danych. Dzięki temu możliwe jest dobranie odpowiednich enzymów restrykcyjnych oraz dokładne przewidzenie miejsca, w którym przetną one cząsteczkę DNA. Ważne jest aby cięcia materiału genetycznego dawcy i biorcy dokonywać za pomocą tego samego rodzaju restryktaz, gdyż umożliwi to połączenie ze sobą powstałych fragmentów.

Następnie przygotowujemy komórki biorcy. Od ich rodzaju zależeć będzie nasze dalsze postępowanie. Przy dokonywaniu transformacji komórek roślinnych należy wcześniej usunąć ścianę komórkową, która na ogół uniemożliwia przeniknięcie obcego DNA do jądra. Komórki zwierzęce oraz mikroorganizmy otoczone są jedynie błoną komórkową, dlatego nie wymagają takiego zabiegu.

Istnieje wiele sposobów wprowadzania genu do komórki (dokonywania transfekcji).

Metody pośrednie posługują się tak zwanymi wektorami, czyli nośnikami informacji genetycznej posiadającymi naturalną zdolność wprowadzania swoich genów do obcych komórek. Po wstawieniu odpowiedniego fragmentu DNA do takiej cząsteczki poddaje się ją inkubacji wraz z komórkami organizmu biorcy.

Istnieją również metody bezpośredniego wprowadzania ganów do komórek. Są one bardziej uniwersalne, gdyż nie wymagają doboru odpowiedniego wektora. Aby pokonać barierę błony komórkowej wykorzystuje się chemiczne i fizyczne czynniki zwiększające jej przepuszczalność takie jak prąd elektryczny (elektroporacja) lub glikol polietylenowy (PEG). DNA wprowadza się również za pomocą maleńkich igieł (mikroiniekcja), armatek genowych, które wstrzeliwują do komórki złote lub wolframowe pociski opłaszczone genami (mikrowstrzeliwanie, biolistyka) oraz kuleczek błonowych zwanych liposomami, wewnątrz których zamyka się potrzebne geny.

Bez względu na to, którą metodą się posłużymy powinniśmy sprawdzić jej efektywność zanim zdecydujemy się na przeprowadzenie dalszych etapów doświadczenia. Identyfikacja transformowanych komórek jest możliwa dzięki wprowadzeniu do nich dodatkowych genów warunkujących łatwo dające się zidentyfikować cechy, takie jak np. fluorescencja lub wzrost na podłożu zawierającym antybiotyk lub herbicyd.

Po dokonaniu selekcji namnażamy uzyskane komórki uzyskując z nich w pełni rozwinięty organizm.

338fe2841c35e07a29d081343416792c.png etapy transformacji komórek roślinnych i zwierzęcych

Po opanowaniu sztuki manipulacji genami jedynym ograniczeniem pozostaje wyobraźnia. W wielu osobach ten ogrom możliwości rodzi obawy i nieufność – nieodłącznych towarzyszy każdej wielkiej zmiany. Dlatego zanim założymy fartuch i zaczniemy tworzyć świat według własnych upodobań, musimy uświadomić sobie, że niektóre połączenia bywają ciężkostrawne. Zwłaszcza, że póki co, jest to jest kuchnia typowo kawalerska. Nie znaczy to jednak, że mamy zaprzestać wszelkich prób, gdyż tylko dzięki nim nabierzemy wprawy i pewności niezbędnych do osiągnięcia sukcesu.

 

przykładowe zastosowanie organizmów transgenicznych

 

CEL

WPROWADZONA CECHA

PRZYKŁADOWY ORGANIZM

ROŚLINY

 

polepszenie wartości użytkowej roślin

odporność na herbicydy:

dzięki genom kodującym enzymy rozkładające środki chwastobójcze można stosować herbicydy totalne do selektywnego niszczenia chwastów oraz obniżyć koszty produkcji (ograniczenie liczby oprysków, swobodniejszy wybór terminów);

  • kukurydza i soja, modyfikacja typu RoundupReady; Monsanto; to jedna z najczęstszych modyfikacji roślin, warunkuje ona odporność na glifosat, czyli substancję czynną herbicydu totalnego Roundup;
  • bawełna odporna na działanie glifosatu; Bayer BioScience N.V;

odporność na choroby bakteryjne, grzybowe i wirusowe:

roślina sama produkuje substancje chroniące ją przed patogenami;

  • jabłoń odporna na parch jabłoni (Venturia inequalis); Plant Research International - Dept. Genetics and Breeding; choroba powoduje obniżenie plonowania oraz znaczne osłabienie drzew, metabolity grzyba mogą powodować raka u człowieka;

odporność na szkodniki owadzie:

rośliny stają się toksyczne dla szkodników dzięki genom toksyny Cry naturalnie występującej w bakterii Bacillus thuringiensis - do tej pory stosowanej w formie oprysków; metoda pozwala na zwalczanie szkodników przy jednoczesnym zachowaniu korzystnych gatunków;

  • kukurydza odporna na niektóre szkodniki z rzędu Lepidoptera, np. omacnicę prosowiankę (Ostrinia nubilalis), motyla nocnego którego larwy żerują na kolbach i w łodygach; Syngenta Seeds SAS;
  • kukurydza odporna na stonkę kukurydzianą (Diabrotica virgifera), szkodnika, powodującego ogromne straty gospodarcze; Monsanto Europe S.A.;

zwiększona tolerancja na stresy środowiskowe:

możliwość prowadzenia hodowli w nieprzyjaznych warunkach;

  • ziemniak odporny na stres cieplny; CSIC;
  • ryż odporny na stres solny oraz suszę; IRTA;

poprawa cech jakościowych roślin;

 

  • len o zmienionej właściwości włókien, zwiększonej odporności na choroby oraz właściwościach przeciwutleniających; Uniwersytet Wrocławski;

biofabryki, czyli wykorzystanie możliwości produkcyjnych roślin

medycyna;

produkcja biofarmaceutyków:, przeciwciał, hormonów, szczepionek

  • kukurydza produkująca w nasionach lipazę żołądkową lub przeciwciała monoklonalne RM2 i MR3 wykorzystywane w leczeniu raka; Meristem Therapeutics;

przemysł;

  • rzodkiewnik pospolity, słonecznik, rzepak i soja wytwarzające polihydroksyalkalolan (PHA), wykorzystywany do produkcji plastiku; Monsanto, ZENECA Seeds;

ochrona środowiska naturalnego;

  • topola akumulująca metale ciężkie zanieczyszczające glebę; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg;

ZWIERZĘTA

 

medycyna

 

produkcja białek o znaczeniu farmaceutycznym:

wykorzystuje się głównie gruczoł mlekowy ssaków; obniżenie kosztów poprzez uproszczenie procesu produkcji

  • kozy produkujące w swoich gruczołach mlecznych antytrombinę, czyli czynnik przeciwdziałający zakrzepom; preparat ATryn; GTC Biotherapeutic;

 

ksenotransplantacja;

prowadzenie przeszczepów komórek, tkanek i narządów między różnymi gatunkami;

  • knurek TG 1154 o zniesionej immunologicznej barierze międzygatunkowej pomiędzy świnią i człowiekiem; Balice;

mleko;

  • krowy z dodatkowymi kopiami genów odpowiedzialnych za produkcję beta- i kappa- kazeiny; poprawia to wydajność produkcji sera; AgResearch Nowa Zelandia;

odchody;

  • prosięta Enviropig, których odchody mogą być użyte jako bezpieczny nawóz dzięki obniżonej zawartości fosforu; University of Guelph's;

nauka o chorobach;

  • badania na myszach wyjaśniające podstawy rozwoju niektórych chorób genetycznych oraz wrodzone skłonności do cukrzycy, chorób układu krążenia, nowotworów (Nobel 2007);

MIKROORGANIZMY

 

przemysł spożywczy

 

 

piwowarstwo;

 

  • Maturex, preparat enzymatyczny przyspieszający dojrzewanie piwa; Novozymes

piekarnictwo;

  • Novamyl L, preparat enzymatyczny poprawiający jakość chleba i przedłużający trwałość pieczywa; Novozymes;

produkcja dodatków do żywności:

  • E. coli produkująca słodzik Aspartam (E951); NutraSweet;

medycyna

produkcja na dużą skalę, synteza białek, które wcześniej były uzyskiwane ze zwierząt eliminuje ryzyko infekcji;

  • E. coli do produkcji żywych, atenuowanych, szczepionek na biegunkę podróżnych; Acambis Research Ltd;

ochrona środowiska

 

biosensory;

w obecności szkodliwego związku bakterie produkują fluoryzujące białko

  • bakterie Pseudomonas wykorzystywane do oceny zanieczyszczenia herbicydem 2,4-D ; Sayler;
  • bakterie E. coli wykrywające toksyczne związki w wodzie; Kiwa Water Research;

bioremediacja;

wykorzystanie genów odpowiedzialnych za rozkład substancji ropopochodnych (gen tod) do usuwania zanieczyszczeń;

  • E. coli ze zmienionym powinowactwem do substratu, usuwająca toluen, benzen i PCB; Kumammru;

biopaliwa;

powstałe z przetwórstwa produktów organizmów żywych;

  • Trichoderma reesei, grzyb syntetyzujący celulazy do produkcji bioetanolu; Novozymes;

detergenty;

aktywne czynniki środków czystości;

  • Daramyl - środek piorący, myjący, wybielający; Novozymes

autor: Anna Kurcek