Znaczenie genetyki w biotechnologii i przemyśle

Odkrycia biologii molekularnej w bardzo istotny sposób rozszerzyły w ostatnich latach możliwości wykorzystanie żywych organizmów do praktycznych celów człowieka. Nowe techniki pozwalają decydować o cechach poprzez manipulacje wykonywane na nośniku informacji genetycznej: te rozwijające się gwałtownie technologie molekularne zostały nazwane biotechnologią.
Trudno jest dokonać systematycznego przeglądu problemów biotechnologii, dlatego ograniczę się tylko do wybranych przykładów.
Ogólnie przyjmuje się, że perspektywiczną techniką stosowaną w biotechnologii jest inżynieria genetyczna. Możliwości, jakie stwarza, wydają się oczywiste. Wiele produktów białkowych otrzymywanych przez człowieka z naturalnych źródeł nie zaspokaja rosnącego popytu.
Metody sztucznej rekombinacji DNA nie tylko umożliwiły powstanie nowych niezwykle użytecznych narzędzi do badania podstawowych mechanizmów funkcjonowania żywych komórek, lecz także przyczyniły się do rozwoju całkowicie nowych działów technologii. W niektórych przypadkach białka, a także żywe komórki uzyskane w wyniku manipulacji z wykorzystaniem metod inżynierii genetycznej zaczynają odgrywać ważna rolę w naszym życiu. Najbardziej spektakularnych przykładów dostarcza farmakologia i medycyna.
Jednym z pierwszych białek, które dzięki zastosowaniu metod inżynierii genetycznej mogło być wytwarzane jako produkt handlowy, była ludzka insulina produkowana w E.coli. Przed uzyskaniem szczepów bakterii produkujących ten ludzki hormon insulinę otrzymywano wyłącznie z trzustek zwierząt. Wielu cukrzyków nabyło alergii w stosunku do insuliny pochodzenia zwierzęcego, której sekwencja aminokwasowa różni się nieco od sekwencji aminokwasowej insuliny ludzkiej. Możliwość wytwarzania ludzkiego białka za pomocą technologii sztucznej rekombinacji DNA ma ogromne znaczenie dla chorych cierpiących na cukrzycę.
Wytwarzany za pomocą tych samych metod ludzki hormon wzrostu jest niezbędny w leczeniu wad wzrostowych występujących u niektórych dzieci.
Hormon ten uzyskiwano przedtem wyłącznie ze zwłok. Otrzymywano niewielkie jego ilości, a na dodatek niektóre preparaty wykazywały zanieczyszczenie wirusami. Stosowanie w medycynie produkowanego metodami inżynierii genetycznej czynnika VIII, białkowego czynnika krzepnięcia krwi którego nie mają chorzy na hemofilię A, eliminuje ryzyko zakażenia wirusem HIV-1, powodującym AIDS. Ryzyko takie istnieje, gdy stosuje się preparaty czynnika VIII uzyskiwane z krwi. Lista produktów wytwarzanych za pomocą technologii sztucznej rekombinacji DNA stale się wydłuża. Organizmy wyższe, które włączyły do genomów swoich komórek obcy DNA, noszą nazwę organizmów transgenicznych. Terminu tego używa się zwykle tylko w odniesieniu do roślin i zwierząt.
W celu wprowadzenia i włączenia obcego DNA do komórek tych organizmów wykorzystuje się szereg różnych sposobów. Często wprowadza się DNA za pomocą wektorów wirusowych, ale znajdują zastosowanie także inne metody np. wstrzykiwanie DNA bezpośrednio do komórek.
Jedną z dróg uzyskiwania metodami inżynierii genetycznej białek zwierzęcych jest wykorzystanie do ich wytwarzania żywych zwierząt, do których komórek wprowadzono odpowiednio przygotowany gen. Takie zwierzęta transgeniczne otrzymuje się zwykle wprowadzając odpowiedni gen, za pomocą mikroiniekcji do jądra zapłodnionej komórki jajowej. Jajo takie implantuje się , następnie w macicy samicy, gdzie przechodzi normalny rozwój. Transgeniczne potomstwo znajduje szerokie zastosowanie w różnego rodzaju badaniach naukowych. Dotyczą one regulacji ekspresji genów, funkcjonowaniu układu odpornościowego, chorób genetycznych, a także genów odpowiedzialnych za powstawanie nowotworów.
Osiągnięcia biotechnologii w medycynie związane z zastosowaniem technik inżynierii genetycznej to również produkowany przez bakterie czynnik przeciwwirusowy interferon, czy też wytwarzany w drożdżach antygen powierzchniowy wirusa żółtaczki, stanowiący szczepionkę przeciw tej chorobie. Inżynierię genetyczną stosuje się w wielu technologiach biologicznych – od wytwarzania leków począwszy na produkcji piwa skończywszy.
Inną techniką, z którą tak medycyna jak i przemysł wiążą duże nadzieje jest unieruchomienie enzymów na trwałych podłożach. Polega ona na wyizolowaniu i oczyszczeniu enzymu, a następnie związaniu go ze stałym podłożem w ten sposób, aby nie tracąc swej aktywności przestał być rozpuszczalny. Przez pojemnik unieruchomiony w ten sposób enzymem można przepuszczać powoli roztwór, w którym będzie zachodzić reakcja katalizowana przez obecny w pojemniku enzym.
Zalet takiego wykorzystania enzymów jest wiele. W medycynie dąży się np. do związania z nośnikiem takich enzymów, których inaktywacja, zwykle uwarunkowana genetycznie, jest przyczyną choroby. W przypadku fenyloketonurii prostą i skuteczną terapię widzi się w związaniu ze stałym nośnikiem enzymu przekształcającego gromadzącą się we krwi chorego fenyloalaninę.
Prowadzone są prace mające na celu wykorzystanie technologii biologicznych do skonstruowania roślin umiejących wiązać azot z powietrza, co byłoby rewolucją w rolnictwie. Ale również stosuje się biotechnologię do celów tak prozaicznych, jak produkcja proszków do prania. Biotechnologie są niezwykle korzystne w usuwaniu zanieczyszczeń wprowadzanych przez człowieka do otoczenia. Można przypuszczać, że ta lista zastosowań biotechnologii będzie się wydłużać z roku na rok, podobnie jak wraz z upływem czasu pojawiają się coraz to nowsze technologie.
W inżynierii genetycznej osiągniecie sukcesu wymaga zastosowaniu szeregu różnych doświadczeń pomocniczych oraz prób zasadniczych z użyciem wielu komórek. Niezbędne do tego jest dysponowanie wieloma kopiami danego genu, które uzyskuje się przez powielanie określonego odcinka w licznych, identycznych kopiach. Przeprowadza się to dwojako:
1) In vivo – przez klonowanie DNA, wprowadzając wyizolowany gen do komórki.
2) In vitro – przy wykorzystaniu tzw. Techniki PCR. Ta metoda pozwala na bardzo szybkie namnażanie określonego odcinka DNA w probówce.
Wprowadzenie genu do komórki wymaga zastosowania odpowiedniego wektora. Niezależnie od tego czy będziemy przeprowadzać klonowanie, czy też próbowali umieścić gen w komórce docelowej, niezbędne będzie połączenie go z wektorem. Wektor jest czymś w rodzaju opakowania umożliwiającego przenoszenie DNA z jednej komórki do drugiej.
Umieszczenie genu w pożądanym rejonie nie jest proste. Jest to jeden z największych problemów z jakim zetknęła się inżynieria genetyczna. Do dzisiaj bowiem nie opanowano techniki pozwalającej na umieszczanie genu w konkretnym miejscu. Prowadzi to często do efektów ubocznych, polegających na wyłączeniu innego genu. Jedynym wyjściem jest więc wykonywanie wielu prób i selekcjonowanie tych komórek, które wykazują komplet pożądanych cech.
Ludzie którzy odnieśli konkretne korzyści płynące z zastosowania technologii sztucznej rekombinacji DNA, nie mają dziś wątpliwości, że rozwój tej technologii miał ważne i dobroczynne znacznie. Jednakże na początku lat siedemdziesiątych naszego stulecia, gdy nowa technologia była dopiero wprowadzana, wielu uczonych obawiało się, że jej niewłaściwe użycie może przynieść poważne szkody. Szczególne zaniepokojenie budziła możliwość przypadkowego wyprodukowania organizmu, który miałby szkodliwy wpływ na środowisko. Całkowicie nowe szczepy bakterii lub innych organizmów, z którymi nikt na świecie nie miał jeszcze do czynienia, mogły by się wymknąć spod kontroli. Uczeni, którzy przyczynili się do rozwoju metod inżynierii genetycznej, świadomi tych zagrożeń, nalegali na opracowanie szczegółowych i ścisłych przepisów, które uczyniłyby nową technologię bezpieczną.
Historia ostatnich lat potwierdziła żywionych wcześniej obaw. Doświadczenia, w których dokonywano manipulacji genami, prowadzone były bezpiecznie w tysiącach laboratoriów uniwersyteckich i przemysłowych. Najpoważniejsze ostrzeżenia, przewidujące przypadkowe wydostanie się z laboratoriów do środowiska i rozprzestrzenienie szczepów bakterii zawierających groźne geny, okazały się bezpodstawne. Laboratoryjne szczepy E.coli giną szybko poza laboratorium, nie są bowiem w stanie skutecznie konkurować ze szczepami dzikimi, bytującymi w środowisku naturalnym. Doświadczenia, w których stosuje się szczególnie ryzykowne procedury, prowadzone są w specjalnych pomieszczeniach laboratoryjnych zaprojektowanych w ten sposób, by uniemożliwić wydostanie się niebezpiecznych chorobotwórczych zarazków oraz zapewnić bezpieczeństwo pracujących w nim badaczom. Przestano się już obawiać przypadkowego sklonowania niebezpiecznego genu lub uwolnienia groźnego organizmu do środowiska. Nie oznacza to oczywiście, że niemożliwe jest umyślne zaprojektowanie i wytworzenie niebezpiecznych konstrukcji genowych.
Większość uczonych uznaje dziś znaczenie technologii sztucznej rekombinacji DNA i przyznaje, że wiązane z nią obawy zagrożenia dla ludzi i środowiska były przesadzone. Z chwilą ustalenia, że doświadczenia z manipulacją DNA nie są niebezpieczne, złagodzono obowiązujące w stosunku do nich przepisy bezpieczeństwa. Ostre ograniczenia utrzymano natomiast w tych dziedzinach badań, w których technik inżynierii genetycznej używa się do pracy z genami o znanym wysokim stopniu ryzyka oraz w przypadku pracy z potencjalnie groźnymi genami, których efekt dla środowiska nie jest jeszcze w pełni poznany. Ograniczenia dotyczą szczególnie tych projektów, które proponują wprowadzenie do środowiska naturalnego organizmów uzyskanych za pomocą manipulacji genetycznej. Chodzi tu na przykład o odmiany roślin uprawnych, których nasiona lub pyłek mogą się rozprzestrzenić w sposób niekontrolowany. Wiele wysiłku poświęca się obecnie na określenie efektów wprowadzenia do środowiska organizmów zawierających sztucznie zrekombinowane geny. Już wkrótce powinniśmy uzyskać znacznie lepsze rozeznanie co do ewentualnego ryzyka takiego przedsięwzięcia.