Základy genetické modifikace
GMO je zkratkou pro "geneticky modifikovaný organismus". Genetická modifikace je po celá desetiletí a je nejúčinnějším a nejrychlejším způsobem, jak vytvořit rostlinu nebo zvíře s určitým znakem nebo vlastností. Umožňuje přesné specifické změny sekvence DNA. Protože DNA v podstatě obsahuje plán celého organismu, změny v DNA mění funkce, které organismus dokáže.
Neexistuje opravdu žádný jiný způsob, jak to udělat, kromě použití technik vyvinutých během posledních 40 let k přímému manipulaci s DNA.
Jak geneticky modifikujete organismus? Ve skutečnosti je to docela otázka. Organismem může být rostlina, zvíře, houba nebo bakterie a všechny z nich mohou být a byly geneticky upraveny téměř 40 let. Prvním geneticky upraveným organismem byly bakterie na počátku 70. let . Od té doby se geneticky modifikované bakterie staly pracovním kmenem stovek tisíc laboratoří, které dělají genetické modifikace jak na rostlinách, tak na zvířatech. Většina základních mutací a modifikací genů je navržena a připravena pomocí bakterií, zejména některých variací E. coli , a pak přenesena do cílových organismů.
Obecný přístup k genetickým změnám rostlin, zvířat nebo mikrobů je koncepčně velmi podobný. Existují ovšem určité rozdíly v specifických technikách v důsledku obecných rozdílů mezi rostlinnými a živočišnými buňkami.
Například rostlinné buňky mají buněčné stěny a živočišné buňky ne.
Důvody genetických změn rostlin a živočichů
GM zvířata jsou primárně vyráběna pro výzkumné účely, často jako modelové biologické systémy používané pro vývoj léčiv. Tam byly některé GM zvířata vyvinutá pro jiné komerční účely, takový jako fluorescentní ryby jako domácí zvířata, a GM komáři pomáhat kontrolovat nemoci nesoucí komáři.
Jsou to relativně omezené aplikace mimo základní biologický výzkum. Zatím nebyly schváleny žádné GM živočichy jako zdroj potravy. Brzy se však může změnit s lososem AquaAdvantage, který se prosadil procesem schvalování.
U rostlin se však situace liší. Zatímco mnoho rostlin je upraveno pro výzkum, cílem většiny genetické modifikace plodin je vytvořit rostlinný kmen, který je komerčně nebo společensky prospěšný. Výnosy mohou být například zvýšeny, jestliže rostliny jsou navrženy se zvýšenou odolností vůči škůdcům způsobujícím chorobu jako je Rainbow Papaya nebo schopnost růst v nehostinné, možná chladnější oblasti. Ovoce, které zůstane zralé déle, například Endless Summer Tomatoes, poskytuje více času na skladování po sklizni pro použití. Také byly vyrobeny vlastnosti, které zvyšují nutriční hodnotu, jako je Golden Rice navržená tak, aby byla bohatá na vitamín A, nebo užitečnost ovoce, jako jsou například nezralé arktické jablka.
V podstatě může být zavedena jakákoli vlastnost, která může být zřejmá přidáním nebo inhibicí specifického genu. Vlastnosti, které vyžadují více genů, mohou být také spravovány, ale vyžaduje to složitější proces, který dosud nebyl dosažen u komerčních plodin.
Co je gen?
Předtím, než vysvětlíme, jak jsou nové geny dány do organismů, je důležité pochopit, jaký je gen. Jak mnoho z nich pravděpodobně ví, geny jsou tvořeny DNA, která je částečně složena ze čtyř základen, běžně označovaných jako A, T, C, G. Lineární pořadí těchto bází v řadě po DNA řetězci genu může být považováno za kód specifického proteinu, stejně jako písmena v řádku textového kódu pro větu.
Proteiny jsou velké biologické molekuly vyrobené z aminokyselin spojených v různých kombinacích. Když je správná kombinace aminokyselin spojena dohromady, aminokyselinový řetězec se společně skládá do proteinu se specifickým tvarem a správnými chemickými vlastnostmi, aby mohl vykonávat určitou funkci nebo reakci. Živé věci jsou z velké části tvořeny bílkovinami. Některé proteiny jsou enzymy, které katalyzují chemické reakce; jiní transportují materiál do buněk a některé fungují jako přepínače aktivující nebo deaktivující jiné proteiny nebo proteinové kaskády.
Takže, když je zaveden nový gen, dává buňce sekvenci kódu, která jí umožní vytvořit nový protein.
Jak buňky organizují své geny?
V rostlinách a živočišných buňkách je téměř celá DNA objednána v několika dlouhých pramenech, které jsou nakloněny do chromozomů. Geny jsou ve skutečnosti jen malé části dlouhé sekvence DNA tvořící chromozom. Pokaždé, když se buňka replikuje, nejprve se replikují všechny chromozomy. Toto je centrální soubor pokynů pro buňku a každá buňka potomků dostane kopii. Abychom mohli představit nový gen, který umožňuje buňce vytvořit nový protein, který přináší určitý rys, stačí jednoduše vložit trochu DNA do jednoho z dlouhých chromozomálních pramenů. Po vložení bude DNA procházet do všech dceřiných buněk, když se buňky replikují stejně jako všechny ostatní geny.
Ve skutečnosti mohou být určité typy DNA udržovány v buňkách odděleně od chromozomů a pomocí těchto struktur mohou být zavedeny geny, takže se neintegrují do chromozomální DNA. Nicméně s tímto přístupem, jelikož chromozomální DNA buňky je pozměněna, není po několika replikacích obvykle udržována ve všech buňkách. Pro trvalou a dědičnou genetickou modifikaci, jako jsou procesy používané pro inženýrství rostlin, se používají chromozomální modifikace.
Jak je vložen nový gen?
Genetické inženýrství se jednoduše týká vložení nové sekvence baze DNA (obvykle odpovídající celému genu) do chromozomální DNA organismu. To se může zdát koncepčně jednoduché, ale z technického hlediska je to trochu komplikovanější. Existuje mnoho technických detailů, které se týkají získání správné DNA sekvence se správnými signály do chromozomu v pravém kontextu, který umožňuje buňkám rozpoznat, že je to gen a používá je k vytvoření nového proteinu.
Existují čtyři klíčové prvky, které jsou společné téměř všem postupům genetického inženýrství:
- Nejprve potřebujete gen. To znamená, že potřebujete fyzikální molekulu DNA s konkrétními sekvencemi bází. Tradičně byly tyto sekvence získány přímo z organismu za použití některé z nenáročnějších technik. Dnes, spíše než extrakce DNA z organismu, vědci obvykle syntetizují ze základních chemikálií A, T, C, G. Po získání může být sekvence vložena do kusu bakteriální DNA, která je podobná malému chromozómu (plazmidu) a protože se bakterie rychle replikují, může být provedeno co nejvíce potřebného genu.
- Jakmile máte tento gen, musíte ho umístit do vlákna DNA obklopeného správnou DNA sekvencí, aby mohla buňka rozpoznat a exprimovat. Zejména to znamená, že potřebujete malou DNA sekvenci nazvanou promotor, který signál buňky exprimuje gen.
- Vedle hlavního genu, který má být vložen, je často nutný druhý gen pro poskytnutí značky nebo výběru. Tento druhý gen je v podstatě nástroj používaný k identifikaci buněk, které obsahují gen.
- Konečně je nezbytné mít k přenosu nové DNA (tj. Promotoru, nový gen a selekční marker) do buněk organismu. Existuje několik způsobů, jak to udělat. U rostlin je mým nejoblíbenějším přístupem ke genetickému zbrani, který používá modifikovanou pušku 22 pro střílení wolframu nebo zlatých částic pokrytých DNA do buněk.
S živočišnými buňkami existuje řada transfekčních činidel, která DNA potahují nebo sdružují a umožňují jí procházet buněčnými membránami. Je také běžné, že DNA je spojena s modifikovanou virovou DNA, která může být použita jako genový vektor pro přenášení genu do buněk. Modifikovaná virovou DNA může být zapouzdřena normálními virovými proteiny, aby se vytvořil pseudovirus, který může infikovat buňky a vložit DNA nesoucí gen, ale nereplikovat tak, aby vznikl nový virus.
U mnoha dikotních rostlin lze tento gen umístit do modifikované varianty nosiče T-DNA bakterií Agrobacterium tumefaciens. Existuje i několik dalších přístupů. Nicméně s většinou jen malý počet buněk vyzdvihuje výběr genů z konstruovaných buněk, což je kritická část tohoto procesu. Proto je typicky nutný selekční nebo markerový gen.
Ale jak si vyrobíte geneticky upravenou myš nebo rajče?
GMO je organismus s miliony buněk a výše uvedená technika jen opravdu popisuje, jak geneticky inženýrovat jednotlivé buňky. Nicméně proces generování celého organismu v podstatě zahrnuje použití těchto technik genetického inženýrství na zárodečných buňkách (tj. Spermie a vaječné buňky). Jakmile je klíčový gen vložen, zbytek procesu v zásadě používá genetické techniky chovu k produkci rostlin nebo zvířat, které obsahují nový gen ve všech buňkách v jejich těle. Genetické inženýrství je opravdu jen uděláno buňkám. Biologie dělá zbytek.