Zastosowanie inżynierii genetycznej

Co to jest inżynieria genetyczna?

Inżynieria genetyczna polega na przenoszeniu genów z jednego żywego organizmu do innego. Inżynieria genetyczna umożliwia uzyskanie szczepów bakterii wytwarzających użyteczne białka, a także wyhodowanie roślin i zwierząt, w których komórkach ulegają ekspresji obce geny. Konsekwencją tych osiągnięć jest ogromny postęp w takich dziedzinach, jak farmaceutyka, medycyna i genetyka człowieka oraz rolnictwo. Współczesna inżynieria genetyczna rozwija się bardzo prędko i stosuje cały szereg różnych technik, w zależności od tego jaki wynik pragnie się otrzymać.

Wiemy, że DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) zawiera instrukcję wszystkich działań żywej komórki. Gen stanowi część składową DNA. Każdy gen zawiera informację zakodowaną w jego chemicznej strukturze, w taki sposób, że cały zestaw genów w komórce determinuje wszystkie cechy organizmu. Geny zawierają w sobie pełną instrukcję chemiczną potrzebną organizmowi do funkcjonowania a ponieważ informacja ta jest przekazywana z pokolenia na pokolenie, potomstwo przejmuje cechy swoich rodziców.
Obecnie naukowcy używają enzymów do "rozrywania" struktur DNA w konkretnych miejscach, wkładają w nie nowe kawałki i na powrót je "sklejają". Mogą oni w ten sposób "wyciąć i wkleić" geny z jednego do drugiego organizmu - zmieniając w ten sposób strukturę DNA a zatem także naturalne cechy organizmu. Manipulacja tych cech ma oczywiście ukierunkowany charakter.

Rodzaj zastosowania inżynierii

Jak dotąd, najbardziej zaawansowane i najpowszechniej wykorzystywane jest przenoszenie genów do kultur żywych komórek rozmnażanych w laboratoriach. Głównym celem takiego postępowania jest produkcja poza żywym organizmem dużej ilości substancji kontrolujących wewnętrzną chemię ciała ludzkiego (w szczególności reakcje obronne przeciwko chorobom), aby następnie mogły być stosowane w taki sam sposób jak lekarstwa.

Drugi kierunek działalności, to terapia genowa. Leczenie polega na wprowadzeniu poprawnej wersji nieprawidłowego genu do dotkniętej chorobą części organizmu, jako środka zapobiegawczego lub leczącego chorobę.

Trzeci rodzaj zastosowania inżynierii genetycznej to przenoszenie genów do roślin. Jest ono stosowane w praktyce, a badania nad nimi są znacznie bardziej zaawansowane niż nad terapią genową u ludzi. Celem jest uzyskanie wydajniejszych i odpornych na choroby roślin w sposób dużo szybszy i efektywniejszy, niż może to być dokonane dostępnymi obecnie metodami hodowlanymi.
Wreszcie geny mogą być wprowadzane do organizmów zwierząt tak laboratoryjnych w celach badawczych, jak i gospodarskich aby poprawić np. wydajność mleka, mas ciała, zawartość tłuszczu czy odporność na choroby. Ostatecznym, ambitnym powodem dołączania genów jest użycie zwierząt (w sposób dla nich nieszkodliwy) do wytwarzania nowych leków z naturalnych czynników obronnych ludzkiego organizmu, a przez to uwolnienie się od praco- i czasochłonnych hodowli komórkowych prowadzonych w laboratoriach.

Żywność transgeniczna

Prace hodowlane nad roślinami trwają od tysięcy lat. Prymitywne odmiany roślin uprawnych , a także blisko z nimi spokrewnione gatunki maja często takie cechy, jak odporność na choroby, które można by z korzyścią wprowadzić do odmian lepiej zaspokajających współczesne potrzeby, np. sałata z większa ilością witamin, itp. Szanse poprawy wartości użytkowanych roślin są znacznie większe w przypadku wprowadzenia do nich genów pochodzących z linii lub gatunków, z którymi się normalnie nie krzyżują. Ze względu na znaczenie gospodarcze zwiększenia plonów roślin uprawnych przeznaczono duże fundusze na badania prowadzone przez genetyków roślin. Konwencjonalne krzyżowanie roślin było pomyślnie wykorzystywane przez wiele lat w celu produkcji roślin użytkowych o podwyższonej wartości odżywczej i wydajności zbioru. Inżynieria genetyczna dostarcza bardziej bezpośrednich metod produkcji roślin ze zmienionymi właściwościami. Rośliny są szczególnie podatne na modyfikacje genetyczne. Pożyteczne cechy nabyte przez rośliny na drodze inżynierii genetycznej to: opóźnione dojrzewanie owoców, tolerancja na stresy środowiskowe takie jak susza, zmiana ubarwienia kwiatów, podwyższone wartości odżywcze nasion.

Genetycy prowadzący badania nad roślinami maja większą swobodę w wykonywaniu doświadczeń i sprawdzaniu nowych technik w porównaniu ze swymi kolegami używającymi do doświadczeń zwierząt. W przypadku manipulacji genami roślinnymi nie wchodzą zwykle w grę problemy etyczne.. Dodatkową kombinacją w inżynierii genetycznej roślin stanowi fakt, że wiele ważnych dla roślin genów znajduje się w DNA chloroplastów. Chloroplasty pełnią kluczową rolę w fotosyntezie, która stanowi podstawę produktywności roślin. Opracowanie metod umożliwiających wprowadzenie zmian w tej części genomu roślinnego, która zlokalizowana jest w chloroplastach, miałoby ważne znacznie. Badania nad metodami ingerencji w genom chloroplastów prowadzone są intensywnie w wielu laboratoriach na świecie.

Szacuje się, że w USA, co drugi paczkowany produkt spożywczy zawiera, choć jeden komponent zmodyfikowany genetycznie.
Żywność transgeniczna, czyli zawierająca obce geny, jest obecnie bardzo powszechna. Rozprzestrzenienie się jej w krótkim czasie, na bardzo dużym obszarze, wywołuje liczne protesty ugrupowań ekologicznych i konsumenckich. Ci drudzy chcą zwłaszcza oznakowania wszystkich produktów modyfikowanych genetycznie, natomiast organizacje takie jak "Greenpeace", boją się zachwiania różnorodności gatunków, wydostania się transgenicznych organizmów do środowiska, oraz nieprzewidywalnych, długofalowych skutków przyjmowania takich pokarmów. Zaznaczają także, że dzięki patentowaniu ziarna, rolnicy uzależnią się od firm biotechnologicznych, które będą jeszcze bogatsze i bardziej wpływowe.
Zwolennicy manipulacji genetycznych twierdzą, że to jest taka sama technologia jak wszystkie inne, a ludzie zawsze uprzedzają się do nowości. Wskazują na niedoinformowanie społeczeństwa w tej dziedzinie.

Są oni jednak często zamieszani w inwestycje biotechnologiczne, więc nie ujawniają negatywnych skutków, w obawie o stratę własnych pieniędzy.

Jak dotąd, co najmniej 38 różnych gatunków roślin zostało genetycznie zmodyfikowanych i przetestowanych w próbach polowych. Istnieją i zostały już także przetestowane w próbach polowych genetycznie zmodyfikowane kwiaty, podobnie jak genetycznie zmodyfikowane ryby, owce, wirusy i bakterie. Użycie genetycznie zmodyfikowanych pomidorów, soi, bawełny, kukurydzy, rzepaku, winogron i ziemniaków odbywa się bez żadnych ograniczeń w Stanach Zjednoczonych. W Europie dopuszczono na rynek genetycznie zmodyfikowany tytoń, rzepak i kukurydzę. Genetycznie zmodyfikowany przecier pomidorowy znajduje się w sprzedaży w supermarketach a genetycznie zmodyfikowana soja jest importowana z USA i szeroko stosowana w przetworzonej żywności. W Kanadzie może być natomiast sprzedawany genetycznie zmodyfikowany rzepak. W laboratoriach ludzki gen został dodany do łososia, pstrąga i ryżu, gen kurczaka - do ziemniaków, geny myszy do tytoniu a geny bakterii i wirusów do ogórków i pomidorów. Obecnie opór przeciwko żywności transgenicznej jest znaczny. Konsumenci, sprzedawcy i producenci żywności żądają "prawdziwej" żywności - bez genetycznej modyfikacji. Jeżeli przemysłowi uda się wcisnąć nam pierwsze produkty, z następnymi pójdzie już dużo łatwiej. Jak dotąd tylko soja i kukurydza trafiły na rynek międzynarodowy. Jeżeli wystarczająca liczba ludzi będzie protestować, możliwe jest powstrzymanie następnych transgenicznych produktów od wejścia na rynek i do naszego życia.

Terapia genowa

Obiecującą technologią jest terapia genowa. Będzie można wykorzystać ją w celu wyleczenia chorób spowodowanych uszkodzeniem jakiegoś genu, zakaźnych, a nawet nowotworów. Polega ona na wstawieniu, najczęściej poprzez wirusy, prawidłowego genu, który koduje odpowiednie białko. Pierwszą czynnością jest usunięcie z wirusa genów chorobotwórczych, a wstawieniu ludzkich, prawidłowych alleli (odmiany genu). Następnie zarażamy człowieka tym wirusem, najlepiej wstrzyknąć wprost do organu wymagającego terapii, a wirus zakoduje w genotypie człowieka prawidłową informacje. Niestety, ta technika nie jest jeszcze w pełni bezpieczna. Wirus może dokonać zmian w złym miejscu, uszkadzając prawidłowy gen. Eksperci uważają, że jest bardzo małe prawdopodobieństwo, aby tak się stało. Terapia genowa ma już pierwszą ofiarę- Jesse Gelsinger miał mieć wyleczoną wątrobę, jednak po podaniu wirusów, organizm podjął silną walkę z nimi, przez co chłopak zmarł.

In vitro

Najważniejszą techniką inżynierii genetycznej jest rekombinowanie DNA in vitro. Ogólnie biorąc, polega ona na pobieraniu i łączeniu ze sobą DNA pochodzącego z różnych źródeł, a następnie wprowadzenie go do układu komórek biorcy, w którym może on się replikować oraz służyć jako matryca do produkcji RNA i białek. Takim układem może być na przykład komórka bakteryjna.. Taka bakteria nabiera nowych właściwości. Otrzymano w ten sposób wiele zupełnie nowych gatunków bakterii, niejednokrotnie cennych z gospodarczego punktu widzenia. Po zrekombinowaniu DNA in vitro i wprowadzeniu go do komórek biorcy, niezbędne jest wprowadzenie czystej populacji komórek- tzw. klonu. Procedura ta wymaga zastosowania specjalnych technik, określanych jako klonowanie. Polega ono na powstawaniu osobników potomnych w wyniku rozmnażania wegetatywnego jednego osobnika rodzicielskiego. Powstałe osobniki mają ten sam genotyp jak organizm macierzysty. Nowe gatunki mikroorganizmów, otrzymane metodami inżynierii genetycznej, ze względu na zastosowanie gospodarcze , są coraz częściej przedmiotem patentów. Dzięki wprowadzonym do nich genom, hodowane na wielką skalę w bioreaktorach przemysłowych syntezują substancje białkowe- zwłaszcza leki, których produkcja w inny sposób byłaby niemożliwa lub bardzo droga. Hodowane bakterie produkują też duże ilości niezbędnych , a deficytowych związków, np. aminokwasów bądź witamin. W Japonii lizyna produkowana jest na wielka skalę przez bakterie i dodawana do pieczywa.

Inżynieria komórkowa

Duże możliwości stwarza również genetyczna inżynieria komórkowa. Istnieje możliwość hybrydyzacji (łączenia) hodowanych komórek różnych gatunków. Poza aspektami naukowymi, ta technika ma duże możliwości zastosowania praktycznego. Na przykład uzyskuje się hybrydy różnych gatunków roślin w postaci pojedynczych komórek, z których następnie drogą klonowania i oddziaływania hormonami uzyskać można całe rośliny. Doniesiono o wytworzeniu tą metodą rośliny, będącej mieszańcem między pomidorem a kalafiorem.

Jedną z dróg uzyskiwania metodami inżynierii genetycznej białek zwierzęcych jest wykorzystanie do ich wytwarzania żywych zwierząt, do których komórek wprowadzano odpowiednio przygotowany gen. Takie zwierzęta transgeniczne otrzymuje się zwykle wprowadzając odpowiedni gen do jądra zapłodnionej komórki jajowej. Jajo takie implantuje się następnie w macicy samicy, gdzie przechodzi normalny rozwój.

Jedno z doświadczeń tego rodzaju dotyczyło genu hormonu wzrostu. Zmienione zarodki były wszczepiane do macicy zwierzęcia, gdzie rosły bardzo szybko w obecności niewielkich ilości cynku. Jedna z myszy, powstała z zarodka, który otrzymał dwie kopie hormonu wzrostu, osiągnęła wielkość dwukrotnie przekraczającą rozmiary normalnej myszy. Zgodnie z oczekiwaniami, tego rodzaju myszy przekazują często cechę wzmożonej zdolności wzrostowej swemu potomstwu.

Transgeniczne potomstwo znajduje szerokie zastosowanie w różnego rodzaju badaniach naukowych. Dotyczą one regulacji ekspresji genów, funkcjonowania układu odpornościowego, chorób genetycznych, a także genów odpowiedzialnych za powstawanie nowotworów. Transgeniczne zwierzęta wykorzystano do uzyskania osobników wydzielających ważne białka w mleku. Wyhodowano na przykład transgeniczne myszy zawierające gen tkankowego aktywatora , białka rozpuszczającego skrzepy krwi powodujące zawał serca. Gen ludzkiego czynnika krzepnięcia wprowadzono z kolei do komórek jajowych. Oba geny połączone zostały uprzednio z sekwencjami regulatorowymi genów kodujących białka mleka. Geny te ulegają aktywacji wyłącznie w gruczołach mlecznych, w których wytwarzane jest mleko. Zarówno białko rozpuszczające skrzepy krwi, jak i ludzki czynnik krzepnięcia wydzielane są w dużych ilościach w mleku zwierząt transgenicznych, z którego można je łatwo wydzielić w czystej postaci. Wprowadzenie obcego genu nie szkodzi zwierzęciu. Białkowy produkt obcego genu wytwarzany jest także przez potomstwo zwierząt transgenicznych. Utrzymywanie linii transgenicznych polega po prostu na odpowiednim krzyżowaniu zwierząt.

Hodowla

W ostatnich latach duże nadzieje badawcze wiąże się z pracami hodowlanymi genetycznie zmienionych zwierząt. Pierwsza transgeniczna owca Dolly będąca klonem została wyhodowana w 1997 r. , a wydzielane przez jej organizm mleko ma właściwości lecznicze dla organizmu ludzkiego. Te szczególne cechy zwierzęcia osiągnięto przez wprowadzenie do jej genomu genu ludzkiego, kodującego czynnik IX, odpowiedzialny za powstawanie białka biorącego udział w procesie krzepnięcia krwi u ludzi chorych na hemofilię. Hodowla transgenicznych zwierząt zachęca do dalszych badań nad otrzymaniem genetycznie zmienionych dużych zwierząt z defektami genetycznymi naśladującymi ludzkie choroby. Prowadzone na dużą skalę prace badawcze na drobnych ssakach (myszy) nie dały spodziewanych rezultatów, aczkolwiek otrzymane wyniki posłużyły w prawdzie doskonaleniu technik hodowlanych, to jednak wielkość tych zwierząt, specyfika genów i okres życia nie mają bezpośredniego zastosowania dla organizmu ludzkiego. Uważa się więc, że owce, świnie, małpy i inne duże ssaki będą bardziej przydatne w badaniach biomedycznych.

Inżynieria a informatyka

Bardzo blisko inżynierii genetycznej trzyma się informatyka. Projekt poznania ludzkiego genomu podjęła agencja finansowana przez rządy 18 państw oraz prywatna firma, Celera Genomics. Druga z nich, mimo późniejszego rozpoczęcia sekwencjonowania ludzkiego genomu, ukończyła wcześniej. Zawdzięcza to zastosowaniu najnowszych automatycznych analizatorów DNA (zdj.1) i niewiarygodnej mocy obliczeniowej komputerów.

Niezwykłe możliwości daje projektowanie białka "na miarę". Wprowadza się dane o toksynie lub wirusie i komputer generuje kształt białka, które wiązałoby się i dzięki temu dezaktywowało go. Następnie syntetyzuje się lek na jego bazie. Ostatnio podjęto również prace nad programem całkowicie symulującym komórkę. Jednak teraz, nawet najszybsze komputery długo pracują nad oddziaływaniem zaledwie kilku elementów. Jeśli uda się zrobić "krzemową komórkę" będzie ona doskonałym urządzeniem do poszukiwania nowych leków działających na poziomie molekularnym.

Klonowanie

Na czym polega technika klonowania? Na przeszczepieniu jądra dowolnej komórki organizmu do komórki jajowej innego organizmu tego samego gatunku. Umożliwia to pozaseksualne mnożenie osobników gatunku ludzkiego o identycznej informacji genetycznej, czego konsekwencją stać się może seryjna produkcja dowolnie planowanych sobowtórów, czyli osobników o identycznych uzdolnieniach fizycznych i duchowych. Jeżeli zatem będzie się dokonywać tego zabiegu na substancji genetycznej wybitnych jednostek, to ile razy uda się ten zabieg szczęśliwie przeprowadzić, otrzyma się w wyniku tylu takimi samymi właściwościami obdarzonych osobników. Zakładając upowszechnienie się tego rodzaju praktyk, ludzkość stanie w obliczu możliwości zaludnienia świata grupami ludzi dobranych pod kątem wymogów na eugenicznych zasadach opartego społeczeństwa. Genetycy podjęli także specjalne zabiegi krzyżowania genetycznego różnych gatunków i tworzenia tworów o hybrydalnych właściwościach.

Klonowanie różni się w sposób zasadniczy od tzw. rozczepienia bliźniaczego, które polega na tym, że zarodek, jaki się ukształtował w wyniku połączenia dwóch komórek rozrodczych, w bardzo wczesnym stadium rozwoju dzieli się na dwa odrębne organizmy, mające ten sam genotyp. Efektem tego wydarzenia, jeżeli osiągnie swój biologiczny cel, będzie urodzenie się bliźniaków jednojajowych. Rozczepienie bliźniacze więc jest zjawiskiem, które się zdarza podczas zwyczajnego rozmnażania płciowego, natomiast klonowanie jest metodą rozmnażania pozapłciowego. Wspólny obu wydarzeniem jest tylko fenomen zaistnienia dwóch (lub więcej) osobników o tym samym genotypie: w przypadku rozczepienia bliźniaczego dwóch braci lub sióstr, w przypadku klonowania – dawcy jądra i osobnika sklonowanego.

Do niedawna sądzono, że DNA komórek somatycznych zwierząt utraciło zdolność sterowania rozwojem nowego osobnika. Wydawało się, że totipotencjalność (zdolność ukształtowania się w dowolny organ lub tkankę nowego organizmu) mają u zwierząt wyższych tylko komórki w najwcześniejszych stadiach rozwoju osobniczego. Dopiero najnowszy rozwój genetyki ujawnił znaczną zdolność odzyskania pierwotnej totipotencjalności nawet przez DNA komórek wysoko wyspecjalizowanych. To właśnie dzięki temu odkryciu klonowanie zwierząt wyższych stało się czymś możliwym.
Technicznie możliwe stało się klonowanie nowych istot ludzkich, co budzi oczywiście pytania natury moralnej, jako że człowiek – chociaż jest jednym z gatunków królestwa zwierząt – jest jednak czymś istotnie więcej niż jednym ze zwierząt.

Zagrożenia

Rozwój inżynierii genetycznej niesie za sobą również zagrożenia. Choćby niedawne ataki bioterrorystyczne w USA i innych krajach. Użycia broni bakteriologicznej zakazano w 1925 r., a produkcji i pozyskiwania bojowych materiałów zakaźnych w 1972. Te konwencje nie są przestrzegane przez wszystkie państwa. Szczególne zagrożenie wynika, gdy korzystają z niej terroryści. Szybki rozwój biotechnologii ułatwia im dostęp do nowych materiałów, mogą modyfikować wirusy i bakterie tak, aby nie działała na nie szczepionka. Oprócz osławionego wąglika są jeszcze gorsze choroby, bo mogące przenieść się między ludźmi, np. dżuma, ospa prawdziwa, wirusy gorączek krwotocznych (ebola, marburg i inne).

Niebezpieczne może być zaatakowanie upraw roślin lub hodowli zwierząt. Taka operacja jest obecnie ułatwiona, ponieważ populacje hodowane są z reguły mało zróżnicowane genetycznie, więc wszystkie osobniki mogą być nieodporne na dany czynnik chorobotwórczy.

Poza wymienionymi zastosowaniami, jest jeszcze wiele innych. Wiele prac z dziedziny biotechnologii balansuje na krawędzi etyki. Dotyczą one ostatnio pozyskiwania komórek macierzystych, czyli takich, które nie mają ustalonego rodzaju. Mogą być użyteczne przy leczeniu choroby Parkinsona, białaczki. Nie ma problemów moralnych, jeśli pozyskujemy je z krwi pępowinowej lub od osoby dorosłej. Niestety, próbuje się uzyskać je z płodu. Niedawno firma Advanced Cell Technologic sklonowała człowieka w celu i uzyskania tych komórek. Bardzo niebezpieczne jest stworzenie embrionu, który ma jedynie przedłużyć życie kogoś, bez swojej zgody poświęcając dla niego życie. Kolejne to użycie zmodyfikowanych mikrobów do syntezy leków.

Można się obawiać, że wykorzystanie genów służyć będzie celom przynoszącym korzyści przede wszystkim bogatym, uprzemysłowionym krajom. Zaczyna się też budzić świadomość, ze zachowanie genetycznych zasobów mikroorganizmów jest równie istotne, co ochrona ginących gatunków zwierząt. Naukowcy z niezależnego Instytutu Panos pracują nad propagowaniem zrównoważonego rozwoju w krajach Trzeciego Świata. Wskazali oni, że prawdziwym wyzwaniem dla rozwijających się krajów, czy dla tych, którzy niosą pomoc tym krajom oraz dla wielkich farmaceutycznych i chemicznych firm jest dopilnowanie, by wykorzystanie w biotechnologii każdego genu pochodzącego z kraju rozwijającego się wiązało się ze sprawiedliwym podziałem korzyści.

Prowadzone są również prace, niektóre bardzo zaawansowane, nad wyhodowaniem roślin ze szczepionką. Miałaby ona szerokie zastosowanie w krajach trzeciego świata. Hodowana jest kukurydza, z której liści, po odpowiedniej obróbce, otrzymujemy tworzywa sztuczne.

Inżynieria genetyczna jest bardzo obiecującą technologią, jednak trzeba stworzyć normy prawne i społeczne regulujące jej badania. Należy na nią uważać, ponieważ użyta w celu zdobycia szybkiego zysku, jest krótką drogą do stworzenia i pogłębienia "cywilizacji śmierci".