Inżynieria genetyczna i jej praktyczne zastosowanie

Inżynieria genetyczna jest stosunkowo nawą gałęzią nauk, czasem myląco zwana nową biotechnologią, w celu upodobnienia jej do nauki wykorzystującej od wieków żywe organizmy w procesie produkcji, jak np. wykorzystywanie drożdży do pieczenia chleba czy fermentacji. Termin ten jest także używany do określenia rozważnej hodowli roślin lub zwierząt w celu osiągnięcia konkretnego, oczekiwanego rezultatu. Tradycyjne biotechnologie dały nam szklarniowe róże o niezwykłych kolorach i krowy, które osiągają większą mięsność lub mleczność.

Inżynieria genetyczna umożliwia pobieranie genów z komórek organizmu, zmienianie ich i przenoszenie z jednych gatunków do drugich w celu wyprodukowania genetycznie zmodyfikowanych organizmów (GMO) mających zupełnie nowe cechy.

Naukowcy i przemysł skorzystali z okazji, aby wykorzystać inżynierię genetyczną do przekształcania i „ulepszania” żyjących organizmów. W rolnictwie skupiono się na rozwiązaniu nowych właściwości roślin uprawnych takich jak odporność na herbicydy, zmiana właściwości odżywczych i odporność na szkodniki. Przemysł dowodzi, że te „ulepszenia” zwiększają wydajność i produktywność. W rzeczywistości ich głównym celem jest osiąganie większych zysków. Inżynieria genetyczna była rozwijana od początku lat 70-tych naszego wieku. Podstawą jej rozwoju była seria odkryć, z których wiele zostało nagrodzonych Nagrodami Nobla.

Materiałem genetycznym wszystkich organizmów jest kwas dezoksyrybonukleinowy - DNA, w którym zapisana jest informacja o wszystkich białkach obecnych w danym organizmie. Zapis dotyczący jednego białka nazywany jest genem. Najprostsze bakterie mają około 500 genów, u człowieka jest ich około 100 tysięcy.

Celem doświadczalnych modyfikacji genomów roślinnych, podobnie jak zwierzęcych, jest zrozumienie fundamentalnych procesów biologicznych. W przypadku roślin kwestie o podstawowym znaczeniu to proces różnicowania tkanek oraz mechanizm indukowania ekspresji poszczególnych genów przez światło. Inni badacze dążą do ulepszenia roślin ważnych dla rolnictwa. Nowe i zmienione geny wprowadza się za pomocą specjalnych wektorów do pojedynczych komórek roślinnych hodowanych w laboratorium. Z poszczególnych komórek można uzyskać całą roślinę, nawet jeśli nie są to komórki zarodkowe.

W wielu eksperymentach prowadzonych na roślinach wykorzystuje się specjalne wektory pochodzące z plazmidów bakteryjnych. Plazmidy wraz z komórkami bakteryjnymi stanowią naturalny mechanizm wprowadzania genów do roślin. Komórki bakteryjne wnikają do zranionych części roślin. Plazmid przedostaje się z bakterii do komórek roślinnych i część plazmidowego DNA zostaje wbudowana do genomu gospodarza.

Z tak transformowanych komórek otrzymano rośliny zdolne do wytwarzania zdrowych nasion, przenoszących funkcjonalne obce geny. Geny wzmacniające odporność roślin na choroby wirusowe lub herbicydy oraz kodujące związki owadobójcze zostały już wprowadzone do roślin ważnych dla rolnictwa. Wiele z nich przechodzi obecnie próby polowe. Inne badania koncentrują się na poprawieniu wartości odżywczej roślin uprawnych.

Gąsienice nie zniszczą liści pomidora, którego komórki zawierają gen kodujący białko toksyczne dla gąsienic.
Rośliny transgeniczne uzyskuje się przez dodanie nowego ( lub zabranie) genu pochodzącego z innej rośliny, a nawet zwierzęcia czy mikroorganizmu, genu, który sprawia, iż nabywają one nowych cech, np.:
- wzrasta wartość odżywcza,
- poprawia się wygląd,
- pojawia się odporność na herbicydy (środki stosowane przeciwko chwastom),
- potrafią wytwarzać własne insektycydy (środki przeciwko owadom),
- są odporne na choroby przenoszone przez mikroorganizmy,
- wzrastają w niesprzyjających warunkach (np. w wysokiej / niskiej temperaturze),
- nie potrzebują wysokiego nawożenia azotowego -potrafią same wiązać azot atmosferyczny,
- wolno dojrzewają, przez co wzrasta ich podatność na przechowywanie czy daleki transport.

Wprowadza się również fragmenty obcego DNA do komórek linii płciowej ssaków doświadczalnych. Transgeniczne myszy stały się najpopularniejszym układem doświadczalnym do analizowania podstawowych problemów biologii. Badaniom poddaje się również transgeniczne ryby, owce, króliki i świnie, z nadzieją na opracowanie lepszych odmian hodowlanych oraz takich linii zwierząt, które mogłyby być wykorzystywane do produkcji ważnych w lecznictwie białek.

Transgeniczne myszy można otrzymać kilkoma metodami, jedna z nich jest jednak najbardziej skuteczna. Sklonowany gen wstrzykuje się do jądra zapłodnionej komórki jajowej. Następnym etapem jest jej implantacja w macicy myszy. Odcinek obcego DNA zostaje wbudowany do genomu na tyle wcześnie, że będzie obecny zarówno w komórkach linii płciowej, jak i w komórkach somatycznych. Następne pokolenie odziedziczy go razem ze wszystkimi innymi genami. Transgeniczne dzieci oraz ich potomstwo poddaje się szczegółowej analizie pod kątem czasu i miejsca ekspresji transgenu i ewentualnych zaburzeń powodowanych przez nowy DNA. Zazwyczaj transgen zawiera podstawowe elementy regulatorowe. Często wygodnie jest elementy regulatorowe badanego genu połączyć zamiast z nim, z innym genem - takim, którego produkt jest łatwo wykrywalny. Jest to prosty sposób umożliwiający badanie mechanizmów kontrolnych organizmu.

U człowieka istnieje kilka tysięcy zaburzeń, zwanych chorobami genetycznymi, wynikającymi ze zmian w ludzkich genach. Zmiany te nazywamy mutacjami - powodują one brak produkcji danego białka lub produkcję białka defektywnego. Większość tych chorób można leczyć tylko objawowo, bo nie jest możliwe usunięcie pierwotnego defektu. Dla pewnej grupy chorób (hemofilia, zaburzenia związane z brakiem hormonu wzrostu, rozedma) jedynym sposobem leczenia jest podawanie białka identycznego z obecnym w ludzkim organizmie. Jest ewidentne, że pozyskiwanie takich produktów jest wielkim problemem. Niektóre z nich (właśnie czynniki krzepliwości krwi) uzyskiwano dawniej z krwi ochotników - obecnie raczej się unika krwi jako materiału wyjściowego do preparatyki białek ze względu na zaistniałe przypadki zakażenia hemofilityków przyjmujących te produkty wirusem powodującym AIDS. Hormon wzrostu można było tylko izolować z ludzkich mózgów, co było poważnym problemem. Co więcej, ta metoda izolacji była odpowiedzialna za zakażenie szeregu osób pobierających hormon wzrostu zakaźnymi cząsteczkami obecnymi w tkance.

Inne białko np. stosowana w leczeniu bardzo częstej choroby - cukrzycy - insulina - mogło być izolowane ze zwierząt (trzustki bydlęce albo świńskie), ale nieznacznie różniło się od białka ludzkiego, co mogło dawać niepożądane efekty.

Inżynieria genetyczna rozwiązała te problemy przez umożliwienie klonowania genów kodujących pożądane białka. Są obecnie na świecie bakterie produkujące insulinę, produkujące czynniki krzepliwości krwi i hormon wzrostu, które można otrzymywać stosunkowo łatwo i w dużych ilościach, i które nie są zanieczyszczone czynnikami powodującymi ludzkie choroby. Na półkach aptek pojawia się coraz więcej leków przyrządzanych technikami inżynierii genetycznej.

Oprócz białek-leków są też białka-szczepionki, głównie przeciwko chorobom wirusowym, z których najbardziej chyba znana jest szczepionka przeciwko wirusowemu zapaleniu wątroby typu B, będąca białkiem produkowanym ze sklonowanego w drożdżach genu tego wirusa.

Istnieją także różne tzw. transgeniczne rośliny, o różnorakich walorach użytkowych i hodowlanych i wiele szczepów myszy, służących jako modele ludzkich chorób genetycznych, które powstały w wyniku zastosowania inżynierii genetycznej.

W XXI w. będzie też możliwe leczenie przyczyny choroby - przez podawanie pacjentom cierpiącym na choroby genetyczne „zdrowych” genów, które umożliwią im produkcję brakujących białek. Tego typu metody terapeutyczne są obecnie w różnych stadiach badań klinicznych, podobnie jak metody leczenia raka, m. in. przez wprowadzanie genów, które są nieczynne w komórkach nowotworu.

Możliwe jest też klonowanie organizmów - to znaczy uzyskane pewnej ilości genetycznie takich samych osobników. Można to uzyskać albo przez podział zarodka na pojedyncze komórki we wczesnych stadiach rozwoju (robi się to eksperymentalnie u myszy itp., natomiast u człowieka jednojajowe bliźnięta są wynikiem naturalnego rozdziału dwóch komórek zarodka od siebie po pierwszym podziale zapłodnionej komórki). Możliwy jest też inny typ klonowania - jak dotychczas uwieńczony tylko jeden raz sukcesem w przypadku ssaków - wzięcie jądra komórkowego (czyli informacji genetycznej) z jednej komórki dojrzałego organizmu i przeniesienia jej do nie zapłodnionej komórki jajowej. Jeśli z tego rozwinie się osobnik, będzie on genetycznie identyczny z osobnikiem, od którego pobrano komórkę. Tak powstała owca Dolly - i jak dotychczas żaden inny ssak.
Jeśli coś takiego jest możliwe, istnieje pewne niebezpieczeństwo, że ktoś sklonuje człowieka.

To nie jest jeszcze możliwe ze względów technicznych - Dolly była jedynym udanym doświadczeniem z prawie 300- to znaczy, że potrzeba było zdobyć 300 komórek jajowych, wprowadzić do nich jądra komórkowe i wprowadzić je do macic odpowiednio hormonalnie przygotowanych owieczek.

Jeszcze jednym podnoszonym zagadnieniem jest sprawa naszych genów - informacji o nich i dostępu do tej informacji. Już teraz dla szeregu chorób występujących w rodzinach jest możliwie ustalenie, kto odziedziczył predysponujące do danej choroby geny. W przypadku niektórych chorób - np. nowotworów - daje to szansę na wczesne wykrycie i wyleczenie. W przypadku innych - dla których nie istnieją obecnie żadne metody leczenia - tak jak niektóre ciężkie choroby neurodegeneracyjne - nie jest jasne czy informacja o tym, czy się zachoruje jest pożądana - a na pewno nie każdy chce ją uzyskać.

Inżynieria genetyczna wniosła niesłychanie dużo do ratowania zdrowia i życia pacjentów, a także do profilaktyki zdrowotnej (szczepionki) i hodowli roślin użytkowych. Choć każda technologia może być wykorzystana niezgodnie z jej przeznaczeniem, do celów moralnie nagannych, to rachunek zysków i strat w naszej cywilizacji jest pozytywny. Dalszy postęp badań może w istotny sposób pomóc cierpiącym i głodnym.