Inżynieria genetyczna

Inżynieria genetyczna — zespół technik badawczych pozwalających na wyizolowanie i charak­terystykę określonych genów oraz wprowadzanie w nich zmian. Jako nauka rozwijana jest od początku lat 70-tych, gdy po raz pierwszy stało się możliwe ukierunkowane otrzymywanie ge­nów, w celu eliminowania niepożądanych lub nadania pożądanych cech w organizmach.

Inżynieria genetyczna jest jedną z najdynamicz­niej rozwijających się dziedzin współczesnej medycyny i biologii. Jako dziedzina nauki, łączy ona elementy współczesnej biologii molekular­nej, medycyny klinicznej, genetyki molekularnej oraz co ważne etyki. Inżynieria genetyczna uży­wa do badań i eksperymentów, między innymi ludzkiego materiału genetycznego, co rodzi wie­le potencjalnych możliwości terapeutycznych, ale również zagrożeń i wątpliwości. Przyjście na świat pierwszego sklonowanego zwierzęcia — owcy Dolly w 1996 roku na Uniwersyte­cie w Edynburgu w Szkocji, w Wielkiej Brytanii — otworzyło nowe możliwości, ale jednocześnie stworzyło wiele różnego rodzaju pytań i zagro­żeń. Postęp w inżynierii genetycznej dokonał się na przestrzeni ostatnich dwudziestu lat, dzięki kolejnym odkryciom biochemicznym, któ­re umożliwiły poznanie procesów związanych z dziedziczeniem i rozmnażaniem się organi­zmów. Nie minęło kilkanaście lat, a zaczęto mó­wić o sklonowaniu człowieka. Sensacyjne dane pojawiające się, co jakiś czas w mediach każą przypuszczać, że prędzej czy później dojdzie do narodzin pierwszego klonu ludzkiego. Tak czy owak, osiągnięcia współczesnej inżynie­rii genetycznej są jednocześnie niezauważal­ną codziennością — jak na przykład genetycznie modyfikowana żywność, która jest powszech­nie sprzedawana między innymi w Stanach Zjednoczonych.

Osiągnięcia oraz perspekty­wy współczesnej inżynierii genetycznej stają się źródłem nadziei na wyleczenie dla milionów osób chorych na raka lub choroby dziedziczone genetycznie, nie wspominając o możliwo­ści całkowitego wyleczenia szeregu schorzeń cywilizacyjnych, takich jak na przykład cukrzy­ca. Inżynieria genetyczna staje się codziennością i coraz to szerzej wkracza w nasze codzienne życie stawiając, coraz to więcej pytań i wątpli­wości etycznych oraz prawnych. Jej osiągnięcia stały się możliwe dzięki szeregu odkryć i postę­pu w dziedzinie biologii molekularnej. Aby do­brze poznać złożone zagadnienie, jakim jest współczesna inżynieria genetyczna, należy za­znajomić się z historią odkryć, które umożliwi­ły postęp tej dziedziny jak również należy znać podstawowe pojęcia z zakresu genetyki i biolo­gii molekularnej. Mimo poznania całego genomu człowieka, udało się zidentyfikować tylko około 5000 jednostek chorobowych zależnych od zmiany w pojedynczym genie. Z tej liczby udało się poznać molekularny biomechanizm tylko  dla 10% schorzeń. Organizm człowieka zawiera około 50000-100000 różnych genów. Liczby te są tak niedokładne, ponieważ niektó­re geny nie są aktywne i nie powodują syntezy produktów białkowych, które mogą być wyizo­lowane.

Pojęcia używane w genetyce i inżynierii genetycznej — aby zrozumieć możliwości, jakie stwarza współczesna inżynieria genetyczna, należy znać podstawowe pojęcia, które są stosowane w genetyki i biologii molekularnej (dwóch dziedzinach będących podstawą rozwoju inżynierii genetycznej). Pojęcia te dotyczą zarówno budowy i funkcji kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) jak i budowy i funkcji genów czy chromosomów. Procesy genetyczne dotyczą szeregu substancji, a ich złożoność wymaga zrozumienia podstawowych pojęć, niektóre z tych pojęć stanowią podstawę inżynierii genetycznej.

Słownik pojęć

• Allel — wersja jednego genu występująca w określonym miejscu (locus) chromosomu.
• Aneuploidalny — oznacza nieprawidłowość dotyczącą całkowitej liczby chromosomów. Najczęściej aneuploidia wią się z utratą lub nadmiarem jednego chromosomu. Utrata chromosomu z pary określa się jako moi somia, nadmiar chromosomu w parze powoduje trisomię.
• Autosomalny — cecha przekazywana I przez geny na chromosomach oznaczonych od 1 do 22 (autosomach).
• Autosomy — chromosor zawarte w parach oznaczanych arabskimi cyframi (u człowieka oznaczone 1-22), chromosomy występujące u obu płci.
• Chromatyna — połączenie kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) z substancja białkowymi (histonami), ułożone w przestrzenną strukturę, która przypomina skręconą kilkukrotnie spiralę. Nazwa chromatyna pochodzi od właściwości wybarwiania się tej substancji za pomocą soli srebra lub innych barwników.
• Chromosom — zbudowany jest z fragmentu chromatyny, która ułożona w charakterystyczny sposób. Każdy z chromosomów zawiera określony zestaw alleli (wersji tego samego genu). Chromosomy, tworząc pary, stanowią kompletny zestaw jednego genu (na każdym z chromosomów znajduje się jeden allel).
• Chromosomy płciowe — (heterochromosomy) chromosomy, ktć w odróżnieniu od autosomów, występują w zależności od płci. Wyróżnia się chromosomy płciowe X i Y. W przypadku płci żeńskiej chromosomy płciowe występują w parze XX natomiast u mężczyzn występują w parze XY. O płci męskiej decyduje chromosom Y.
• Diploidalny — termin ten określa liczbę chromosomów i oznacza stan, w którym w komórce występują chromosomy w parach. Garnitur ch mosomalny człowieka składa się z 23 par chromosomów. Całkowita liczba chromosomów opisywa jest wzorem 46 XX (oznacza to osobnika płci żeńskiej) lub 46 XY (oznacza osobnika płci męskiej).
• DrNA — kwas deoksyrybonukleinowy,
• ssDNA — (single strand) jednoniciowa cząsteczka DNA,
• cDNA — (cc plementary) DNA — pojedyncza nić DNA, która powstaje na matrycy mRNA,
• dsDNA — (double str ded) cząsteczka DNA o budowie podwójnej helisy.
• Dominujący — tryb dziedziczenia, w którym efekt działania genu objawia się w obecności drugiego niezmutowanego allelu.
• Egzon — fragment budo^, genu zbudowany z DNA, który nie koduje informacji genetycznej.
• Epigenetyczny — zmiany epigenetyczne to między innymi zmiany zachodzące w procesach gametogenezy, które mogą wpływać na cechy zewnętrzne. Nie mniej jednak, nie muszą one być przekazywane na kolejne pokolenie.
• Ekspresja — stopień, w jakim dana cecha genetyczna (np. zmiana w zapisie DNA) ujawnia się u danego osobnika). Przykładem różnego stopnia ekspresji są między innymi choroby genetyczne, które mogą mieć róż stopień nasilenia objawów, lecz zawsze i w każdym przypadku istnieją choćby minimalne obja” schorzenia.
• Euploidia — stan, w którym w organizmie istnieje prawidłowa liczba chromosomów.
• Fenotyp — zewnętrzna cecha organizmu (np. kolor płatków kwiatu, kolor oczu), która jest efektem działania określonego i unikalnego genotypu.
• Gameta — komórka rozrodcza żeńska (komórka jajowa) i męska (plemnik), która jest źródłem materiału genetycznego dla następnego pokolenia. Gamety przechodzą proces mejozy — tak, więc zawierają połowę potrzebnego materiału genetycznego.
• Gen — odcinek kwasu deoksyrybonukleinowego (najczęściej o długości poniżej 100000 par zasad), który koduje określony produkt (najczęściej cząsteczkę białka). Produkt ten może być łatwo wyizolowany.
• Genotyp — całość informacji genetycznej, jaka jest zawarta w postaci DNA (łańcucha kwasu deoksrrybonukleinowego). Informacja ta jest przechowywana w obrębie jąder komórkowych w postaci chro^­matyny.
• Haploidalny — termin ten określa liczbę chromosomów i oznacza, że dana komór (haploidalna) zawiera dokładnie połowę materiału genetycznego (połowę całkowitej liczby chrom( mów). W przypadku komórek ludzkich komórka haploidalna zawiera 23 chromosomy.
• Haplotyp zbiór kilku alleli danego genu, które są ze sobą ściśle związane i nie ulegają łatwo podział( w procesie rekombinacji.
• Heterochromatyna — jedna z dwóch postaci chromatyny, która jest zwić na z dużą ilością cząsteczek białka i posiada skondensowaną formę. Heterochromatyna zwykle jnieaktywną częścią całego materiału genetycznego (nie ulega procesom transkrypcji).
• Heterozygota — oznacza osobnika, który posiada dwa różne allele tego samego genu. Na przykład formę dominującą i recesywną. Heterozygoty posiadają większe szanse na przeżycie, ponieważ dysponują dwiema róż­nymi wersjami tego samego genu. W przypadku mutacji jednego z nich funkcję może przejąć drugi al­lel.
• Homozygota — oznacza osobnika, który dysponuje dwoma takimi samymi allelami jednego genu. W przypadku mutacji, w jednym z nich dochodzi zwykle do ujawnienia się patologicznych efektów mutacji.
• Intron — cześć genu, która zawiera sekwencje kodujące określony produkt białkowy.
• Imprin­ting — proces, w którym ekspresja (ujawnienie się) danego genu zależy od tego, czy dany gen jest prze­noszony przez komórkę rozrodczą żeńską czy męską.
• Kodon — trójka nukleotydów o dowolnej kombinacji, która koduje określony aminokwas w cząsteczce białka lub też odpowiada za początek lub koniec procesu translacji. Kodon jest podstawową jednostka kodu genetycznego zapisanego w czą­steczkach DNA.
• Mitoza — rodzaj podziału komórkowego, w którym powstające dwie komórki potom­ne zawierają pełen zestaw chromosomów (są komórkami diploidalnymi).
• Mejoza — rodzaj podziału komórkowego, w wyniku którego dochodzi do powstania czterech komórek potomnych zawierają­cych połowę garnituru chromosomalnego (są to komórki haploidalne). Mejoza jest procesem w wyni­ku, którego dochodzi do produkcji komórek rozrodczych (komórek jajowych i plemników).
• Mozaicyzm — sytuacja, w której zmiana w zapisie genetycznym jest obecna jedynie w określonej populacji (grupie) komórek. Na przykład mutacja danego genu może dotyczyć tylko komórek rozrodczych i jest nieobec­na w komórkach somatycznych lub odwrotnie. Mozaicyzm może dotyczyć również grupy komórek somatycznych.
• Mutacja — zmiana w budowie biochemicznej cząsteczki kwasu deoksyrybonukleino­wego, która polega na zamianie jednego nukleotydu na drugi, utracie lub wstawieniu innego nukleoty­du. W ten sposób zmienia się całkowita sekwencja nukleotydów prowadząc do powstania nowego (zmutowanego) genu.
• Non-dysjunctio — zjawisko, w którym dochodzi do nieprawidłowego rozdziele­nia dwóch homologicznych chromosomów (chromosomów z tej samej pary) w czasie podziału komór­kowego zwanego mejozą. Zjawisko to powoduje produkcję nieprawidłowych komórek rozrodczych.
• Nukleotyd — podstawowe jednostki strukturalne kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA), zbudowane z cząsteczki cukru (dezoksyrybozy) oraz z tak zwanych zasad purynowych i pirymidynowych. W skład każdego nukleotydu wchodzi: deoksyryboza, reszta kwasu fosforowego oraz jedna z czterech zasad: adenina, tymina, guanina lub cytozyna.
• Plazmid — kolista cząsteczka DNA obecna w komórkach bak­terii, która ma zdolność do przechodzenia pomiędzy poszczególnymi komórkami bakterii.
• Polimor­fizm — jest to sytuacja, w której dany allel jest obecny przynajmniej u 1% całej populacji osobników.
• PCR — reakcja łańcuchowej polimerazy (ang. polymeraze chain reaction). Reakcja biochemiczna, któ­ra polega na sztucznym namnożeniu fragmentu DNA a następnie jego określeniu.
• Recesywny — tryb dziedziczenia lub mechanizm działania genu, w którym efekt danego allelu pojawia się w przypadku nieobecności drugiego niezmutowanego allelu. W przypadku autosomów, zewnętrzna cecha ujawnia się podczas obecności dwóch zmutowanych postaci danego genu (dwóch zmutowanych alleli).
• Repli­kacja — proces, w wyniku którego dochodzi do podwojenia materiału genetycznego w postaci kwasu deoksyrybonukleinowego. Z jednej dwuniciowej cząsteczki DNA w postaci podwójnej helisy powsta­ją dwie identyczne dwuniciowe cząsteczki DNA również w postaci podwójnej helisy.
• RNA — kwas ry­bonukleinowy; cząsteczki kwasy rybonukleinowego pośredniczą w procesach obróbki i przekazywania informacji genetycznej zapisanej w cząsteczkach DNA. Ze względu na budowę i funkcję wyróżnia się kilka rodzajów RNA:
• rRNA — rybosomalny RNA, który stanowi podstawę budowy rybosomów,
• mRNA — matrycowy RNA, który powstaje w wyniku odczytywania (transkrypcji) cząsteczek DNA,
• tRNA — transportowy RNA, który bierze udział w transporcie cząsteczek aminokwasów w procesach translacji (syntezy białka na matrycy mRNA).
• Transdukcja — proces, w wyniku którego zostaje przeniesiony ma­teriał genetyczny z jednego organizmu do drugiego.
• Translacja — proces, w wyniku którego dochodzi do syntezy nowej cząsteczki białka, na podstawie informacji zapisanej na cząsteczce mRNA.
• Trans­krypcja — proces, w wyniku którego dochodzi do odczytu informacji genetycznej zawartej w cząstecz­kach DNA i przepisania ich na cząsteczkę matrycowego RNA.
• Wektor — mikroorganizm (najczęściej wirusowy), który jest używany do przenoszenia materiału genetycznego.

Ciekawostki

Owca Dolly urodziła się w lipcu 1996 r., ale jej ist­nienie ujawniono dopiero w lutym 1997r. Było to pierwsze zwierzę, które przyszło na świat jako wynik sklonowania dojrzałej komórki dorosłego osobnika. Sklonowanie owcy było możliwe dzięki skoordyno­wanej pracy zespołu naukowców kierowanych przez profesora lana Wilmuta z Roslin Institute w Edyn­burgu w Szkocji. Imię Dolly zostało nadane przez zespól naukowców na cześć amerykańskiej piosen­karki country Dolly Parton. Owca ta była 276 em­brionem z kolei, poprzednie obumarły w różnych stadiach rozwoju. Dolly urodziła się jako klon dorosłego bezimiennego osobnika odmiany Finn Dor­set, rasa ta żyje przeciętnie od jedenastu do szesnastu lat. Dorosły osobnik, którego materiał genetycz­ny został użyty do klonowania, zmarł kilka lat wcześniej jeszcze przed przyjściem na świat owcy Dolly. W ciągu całego życia Dolly urodziła w sposób naturalny 6 potomstwa. 14 lutego 2003 roku owca zosta­ła uśpiona zastrzykiem z powodu zaawansowanego i bolesnego zwyrodnienia wielostanowego oraz raka płuc. Już na tym przykładzie widać pierwsze niebezpieczeństwa, jakie mogą wiązać się z przyjściem na świat sklonowanego osobnika. Badania histopatologiczne oprócz obecności dwóch chorób: zapalenia wielostanowego oraz raka płuc, nie wykazały zmian w budowie czy czynności pozostałych tkanek i na­rządów wewnętrznych. Po śmierci, owca Dolly została zakonserwowana i wypchana oraz wystawiona w muzeum nauki Uniwersytetu w Edynburgu gdzie można ją zobaczyć do dzisiejszego dnia.

Czym jest inżyniera genetyczna

Termin inżynieria genetyczna ma rzeczywiście uzasadnione znaczenie. Materiał genetyczny w postaci DNA (kwasu deoksyrybonukleino­wego) jest poddawany kontrolowanym proce­som biochemicznym: powielania, rozdzielania i duplikowania. Procesy te wykonywane przez naukowców — biochemików i biologów — zmieniają budowę i sekwencje nukleotydów stanowiących podstawę budowy kwasu DNA. Inżynieria genetyczna zawdzięcza swoją nazwę możliwości sztucznego sterowania materiałem genetycznym i zapisanymi w nim informacjami. Inżynieria genetyczna operuje na poziomie po­jedynczej komórki, zmieniając jej zapis gene­tyczny a przez to zmienia wiele jej właściwości. Co więcej, zmiany te są przekazywane przez komórkę na kolejne komórki potomne. Dzięki odkryciom współczesnej biotechnologii i biologii molekularnej, możliwe jest odczytywanie całej zapisanej informacji genetycznej. Możliwa jest również jej obróbka, zmiana czy przenoszenie i powielanie całych genów i ich fragmentów. Naukowcy są w stanie obecnie wyizolować i powielić dowolne fragmenty genów oraz przenosić geny pomiędzy poszczególnymi gatunkami czasami bardzo od siebie oddalonymi. Klasycznym przykładem jest produkcja insuliny. Bakteria z gatunku Escherich Coli, która w warunkach fizjologicznych kolonizuje jelito grube u człowieka, zawiera w swoim materiale genetycznym ludzki gen kodujący insulinę. Gen ten ulega procesom odczytywania (transkrypcji) oraz powielania (replikacji), staje się źródłem informacji dla syntezy cząsteczki ludzkiej insuliny.

Odwiedzający wpisali takie problemy: