Klonowanie roślin i zwierząt

KLONOWANIE - to szerokie pojecie, które oznacza m.in. procesy mające na celu otrzymanie organizmów o tym samym materiale genetycznym. Jest również podstawową techniką stosowaną w inżynierii genetycznej, dzięki której powieleniu ulega DNA ( wraz z wektorem)

TRANSGENICZNE ORGANIZMY - rośliny i zwierzęta, które włączyły do swojego genomu sztuczne przeniesione obce sekwencje nukleotydów.

Klonowanie można odnieść do namnażania in vitro określonych odcinków DNA przy użyciu techniki zwanej PCR (łańcuchowa reakcja polimerazy). Klonem nazywa się osobniki bądź komórki o jednakowym składzie genetycznym, a także cząsteczki DNA o tej samej sekwencji nukleotydów.

Klon może pochodzić z namnożenia: organizmów pojedynczej komórki, wirusa lub cząsteczki DNA. Podczas powstawania potomnych komórek, wirusów lub cząsteczek DNA prowadzących do wytworzenia klonu mogą zachodzić mutacje. Wirusy, komórki oraz cząsteczki DNA powstające w wyniku namnażania są identyczne z formami wyjściowymi aż do momentu, w którym w ich materiale genetycznym wystąpi mutacja.

Wszystkie organizmy jednokomórkowe rozmnażają się przez podział komórki ulegają klonowaniu. Klonem jest kolonia bakterii rosnąca na szalce Petriego z pożywką. Rośliny rozmnażające się bezpłciowo też ulegają klonowaniu. Klonem są także bliźnięta jednojajowe, rozwijające się z rozpadu zarodka powstałego z jednej zygoty.

Prostą metodą pozwalającą na powielenie wybranego odcinka DNA o długości od kilkuset do kilku tysięcy nukleotydów, niemal w dowolnych ilościach, jest łańcuchowa reakcja polimerazy (PCR). Zaletą tej metody jest możliwość skopiowania określonego fragmentu DNA występującego w ograniczonych ilościach. Warunkiem przeprowadzenia takiej syntezy jest znajomość sekwencji nukleotydów sąsiadujących z powielanym fragmentem DNA. Można zsyntetyzować konieczne do rozpoczęcia replikacji komplementarne do nich, krótkie, około 20-nukleotydowe odcinki RNA odgrywające rolę starterów, które są niezbędne do zainicjowania procesu replikacji.

Każdy cykl reakcji PCR składa się z 3 etapów: rozdzielenia na 2 nici powielanego DNA, przyłączenia starterów i polimeryzacji DNA. Wszystkie reakcje zachodzą w jednej probówce. Rozdzielenie nici DNA jest konieczne, aby mogły się przyłączyć startery. Proces rozdzielenia nici DNA zachodzi przez podniesienie temperatury do około 94°C. Obniżenie temp umożliwia przyłączenie starterów. W tej metodzie stosowany jest enzym polimeraza DNA, wydzielony z bakterii żyjącej w gorących źródłach. Metoda PCR znalazła wiele zastosowań, m.in. w medycynie, sądownictwie (przy ustalaniu ojcostwa) i kryminalistyce.

Inną technika klonowania jest oparta na transplantacji jądra komórkowego. Polega ona na przenoszeniu jądra komórkowego od dawcy do biorcy. Komórkę biorcy stanowi niezapłodniona komórka jajowa, z której – za pomocą mikropipety – usuwa się jądro komórkowe. Następnie w pozbawionej jądra komórce jajowej umieszcza się jądro komórkowe dawcy ( komórkę dawcy z jądrem komórkowym), który ma być skopiowany. Niektóre ze zmodyfikowanych w ten sposób komórek jajowych zaczynają się rozwijać jak normalne zarodki i po przeszczepieniu ich do macicy matki zastępczej można otrzymać z nich potomstwo. Pierwszym na świecie sklonowanym ssakiem była owca Dolly, lecz był to jeden pomyślnie zakończony eksperyment z wielu.

Łatwiej jest otrzymać hodowle tkanek roślinnych, a nawet pojedynczych komórek, in vitro. Wyizolowane fragmenty tkanek roślinnych (np. części blaszek liściowych, wierzchołki pędów, fragmenty bulw, nasiona), hodowane na szalkach Petriego zawierających pożywkę uzupełnioną odpowiednimi czynnikami wzrostowymi, najpierw wytwarzają niezróżnicowaną tkankę, tzw. Kallus.

Rozmnażanie wegetatywne u roślin jest też klonowaniem. Np. rozmnażanie roślin przez odcinanie pędów, kłączy bądź rozłogów prowadzi do powstania roślin genetycznie identycznych z formami wyjściowymi.

Otrzymanie zwierząt transgenicznych jest trudniejsze niż roślin. Najprostszą metoda polega na wstrzyknięciu dużej liczby kopii genu do komórek zarodka. Wprowadzony gen włączy się jedynie do części komórek.. Osobnik, który rozwinie się z takiego zarodka, będzie zbudowany z komórek o różnym składzie genetycznym. Dopiero skojarzenie ze sobą osobników mających zmienione komórki rozrodcze doprowadzi do otrzymania potomstwa całkowicie zmienionego genetycznie.

Inna metoda polega na wstrzyknięciu genu do zapłodnionej komórki jajowej znajdującej się w stadium dwujądrowym, kiedy jądro plemnika i jądro komórki jajowej nie połączyło się całkowicie. Potem dochodzi do ich całkowitego połączenia i powstaje jedno diploidalne jądro zygoty, która zaczyna się dzielić. Podziały zaczynają się in vitro na odpowiednich pożywkach, aż do stadium wczesnego zarodka (blastocysty). Następuje implantacja zarodka do macicy matki zastępczej. Transgeniczne zwierzęta krzyżują się, by przekazywać nowy gen potomstwu.

Zwierzęta transgeniczne wykorzystuje się do różnych badań naukowych, m.in. do badań regulacji ekspresji genów, funkcjonowania układu odpornościowego, chorób genetycznych i rozwoju nowotworów.

U roślin istnieje wiele sposobów otrzymywania organizmów transgenicznych. Trudność sprawia znalezienie odpowiedniego wektora, który mógłby wprowadzać geny do komórek roślinnych. W wielu takich eksperymentach wykorzystuje się bakterie. Komórki bakterii wnikają do zranionych części roślin. Plazmid przedostaje się z bakterii do komórki roślinnej i części jego DNA zostaje wbudowana do genomu rośliny. Ten fragment Dna plazmidu zawiera m.in. geny odpowiedzialne za biosyntezę regulatorów wzrostu. Komórka roślinna zaczyna wytwarzać zwiększone ilości hormonu wzrostu, co wywołuje nienormalny wzrost rośliny, objawiający się powstawaniem guzowatości. Plazmidy wraz z komórkami bakteryjnymi stanowią naturalną drogę wprowadzania genów do rośliny.

Geny guzowatości można usunąć z plazmidu i zastąpić je innymi genami, które chce się przekazać do genomu rośliny. Fragmenty rośliny hoduje się na szalkach Petriego w obecności bakterii zawierających zmienione plazmidy. Bakteria, zakażając komórki rośliny, wprowadza do niej zmodyfikowany plazmid. Część tego plazmidu zawierająca dodatkowe geny zostaje wbudowana do genomu rośliny. Zmodyfikowany plazmid służy jako wektor do wstawiania obcych genów do komórek roślinnych, które należy wyselekcjonować. Zmieniając proporcje poszczególnych regulatorów wzrostu w pożywce, można z takich komórek otrzymać całe rośliny transgeniczne. W wyniku rozmnażania płciowego otrzymuje się nasiona, dlatego włączone geny mogą być przekazane następnemu pokoleniu. Rośliny transgeniczne można też rozmnażać wegetatywnie.

W innej metodzie do wprowadzania obcego Dna stosuje się tzw. Armatkę genową. Polega ona na wstrzeliwaniu do komórek drobnych kuleczek metalu (wolframu) pokrytych DNA. Komórki takie hoduje się na odpowiedniej pożywce i z nich otrzymuje się całe rośliny.

Rośliny transgeniczne są odporne na herbicydy (środki chwastobójcze), choroby wirusowe i ataki owadów – szkodników. Inne badania koncentrują się na poprawi jakościowych cech produktów roślinnych (np. przedłużeniu trwałości przechowywanych owoców i warzyw, zwiększeniu tolerancji na zimno i zamarzanie) oraz ich wartości odżywczej (np. dodatki o pozytywnym wpływie na zdrowie człowieka).

Przeciwnicy modyfikacji genetycznej uważają, że wprowadzenie zmodyfikowanych odmian roślinnych do środowiska jest niedopuszczalne, bo może doprowadzić do naruszenia równowagi biologicznej.

Najważniejsze i najdłuższe badania dotyczą 4 gatunków roślin uprawnych zmienionych genetycznie: rzepak, buraki cukrowe, kukurydza (odporna na herbicydy) oraz ziemniaki (którym wprowadzono gen kodujący toksynę chroniącą je przed owadami – szkodnikami).

Obawy dotyczą również spożywania zmodyfikowanej genetycznie żywności (żywność GMO). Większość osób w Polsce nie chce kupować takiej żywności, gdyż uważają, że może być ona szkodliwa dla ludzi i zwierząt. Naukowcy zapewniają, że są one bezpieczne.