Genetyka

Genetyka to nauka o dziedziczności i zmienności organizmów, które są oparte na podstawowych jednostkach dziedziczności - genach.
Za prekursora genetyki uważa się czeskiego zakonnika Grzegorza Mendla.
Sformułował on podstawowe zasady dziedziczności, tak zwane prawa Mendla.

Pod nazwą genetyka występuje cała grupa nauk:
 genetyka na poziomie molekularnym - badanie DNA, RNA, mechanizmów transkrypcji itd.
 na poziomie osobników - jak różne geny i interakcje między nimi oddziałują na fenotyp
 na poziomie populacji - genetyka populacyjna
Etapy rozwoju genetyki:
• 1859 Karol Darwin publikuje „O powstawaniu gatunków”
• 1865 prace Mendla
• 1903 odkrycie, że za proces dziedziczenia odpowiedzialne są chromosomy
• 1910 odkrycie, że chromosomy składają się z genów
• 1913 pierwsza mapa genowa ukazuje geny ułożone liniowo na chromosomie
• 1927 zmiany fizyczne w obrębie chromosomów zostają nazwane mutacjami
• 1928 eksperyment Fredericka Griffitha
• 1931 Crossing over jest przyczyną rekombinacji
• 1944 Oswald Theodore Avery, Colin McLeod i Maclyn McCarty wyizolowują DNA
• 1945 odkrycie mechanizmu kodowania białek
• 1950 prace Erwina Chargaffa
• 1953 pierwszy model budowy DNA (James Watson i Francis Crick)
• 1961 odkrycie kodonów
• 1977 powstanie metody sekwencjonowania DNA
• 1997 sekwencjonowanie pierwszego genomu
• 18 maja 2000 Nature publikuje artykuł zawierający dokładne dane na temat budowy chromosomu 21 u człowieka
• 2001 powstają pierwsze szkice sekwencji ludzkiego genomu w wyniku rozpoczęcia prac Human Genome Project

ZASTOSOWANIE I OSIĄGNIĘCIA GENETYKI

BIOTECHNOLOGIA I INŻYNIERIA GENETYCZNA

Inżynieria genetyczna polega na wykorzystaniu przez naukowców technik laboratoryjnych do zmiany DNA żywych organizmów. DNA to projekt indywidualizmu żywego organizmu. Każdy organizm determinowany jest informacją przechowywaną w jego DNA. Informacja ta wykorzystywana jest do zarządzania wszystkimi procesami biochemicznymi - życie, wzrost i unikalne cechy organizmu zależą od jego DNA. Segmenty DNA, które kojarzone są ze specyficznymi cechami lub funkcjami organizmu nazywane są genami.

Biotechnologia to nauka zajmująca się otrzymywaniem produktów za pomocą czynników biologicznych, tj. mikroorganizmów, wirusów, komórek zwierzęcych i roślinnych oraz substancji pozakomórkowych i składników komórek. Dotyczy m.in. hodowli roślin odpornych na choroby i dających wyższe plony biomasy i białka, zwiększenia tolerancji roślin na stresy, zwiększenia zmienności genetycznej, poprawy wydajności fotosyntezy i przyswajania przez rośliny azotu atmosferycznego, poprawy jakości wytwarzanych produktów, kontrolowania patogenów i pozostałości środków ochrony roślin, produkcji biopreparatów do nawożenia gleby i ochrony roślin, konserwantów, szczepionek nawozowych, preparatów paszowych, diagnostycznych i profilaktycznych oraz enzymów. W porównaniu z procesami chemicznymi procesy biotechnologiczne są znacznie mniej energochłonne, ponadto są bezodpadowe lub niskoodpadowe, tańsze i wydajniejsze, a powstające przy nich zanieczyszczenia są na ogół mało uciążliwe dla środowiska. Biotechnologia ma również znaczenie dla ochrony środowiska, m.in. znajduje zastosowanie w oczyszczaniu ścieków, neutralizacji i bioutylizacji odpadów, a także w produkcji biogazu. Osiągnięcia biotechnologii stosuje się głównie w rolnictwie, ale również w medycynie, przemyśle spożywczym, chemii, farmakologii, a nawet energetyce.

Organizmy transgeniczne
Organizmy wyższe, którym wprowadzono nowy, obcy gen, przekazywany następnie pokoleniom zgodnie z podstawowymi prawami dziedziczenia, nazywamy organizmami transgenicznymi. Niżej podaję kilka przykładów tych organizmów:
* w USA na doświadczalnych poletkach testuje się transgeniczną odmianę tytoniu, odporną na środki chwastobójcze - herbicydy.
* uzyskana w pracowniach jednej z amerykańskich firm biotechnologicznych transgeniczna bawełna produkuje włókna zawierające niewielką domieszkę poliestru zwiększającą termoizolacyjność tego materiału. Do pełnego sukcesu gospodarczego jeszcze daleko, ale rośliny produkujące włókna syntetyczne nie są już fikcją.
* Transgeniczne myszy i świnie wykorzystywane się w badaniach genetycznych.
* Prowadzi się badania nad przeniesieniem genów warunkujących możliwość wiązania wolnego azotu z bakterii do komórek roślin wyższych.
* Hoduje się transgeniczne ziemniaki produkujące albuminę typu HSA - białko odpowiedzialne za prawidłowe ciśnienie osmotyczne osocza krwi ludzi.
* Transgeniczne pomidory mają przedłużoną trwałość przechowywania. W USA sprzedawane są od 1994 roku.
* Prowadzone są badania nad transgenicznymi zwierzętami np. świniami, które byłyby źródłem organów do przeszczepów.

Wprawdzie początki biotechnologii sięgają końca lat sześćdziesiątych, to jednak prawdziwy rozkwit przeżywa ona obecnie. Z biotechnologią człowiek wiąże takie nadzieje jak: wzrost poziomu produkcji rolnej, zwiększenie zysku producentów, zwiększenie różnorodności towarów w handlu, poprawa zdrowotności i potencjału produkcyjnego zwierząt gospodarskich.
Jakie są cele tworzenia organizmów zmodyfikowanych genetycznie?
• możliwość uzyskania lepiej plonujących roślin, celem zwiększenia produkcji żywności dla zaspokojenia spożycia ciągle rosnącej populacji ludzi,
• poprawa składu chemicznego surowców roślinnych celem uzyskania produktów o lepszych cechach w trakcie przerobu i przechowywania,
• polepszenie własności dietetycznych i zdrowotnych produktów,
• uzyskanie nowych odmian roślin uprawnych, odpornych na porażenie przez szkodniki, tolerujących powszechnie stosowane środki ochrony roślin w tym herbicydy,
• uzyskanie roślin uprawnych gromadzących znaczne ilości substancji chemicznych przydatnych w przemyśle farmaceutycznym,
• uzyskanie ras zwierząt charakteryzujących się np. wysoką produkcją mleka, chudego mięsa,
• uzyskanie roślin uprawnych o polepszonej jakości olejów, białek, węglowodanów, barwy, zapachu.
Jakie GMO(Organizmy zmodyfikowane genetycznie) uprawiane są aktualnie na świecie najczęściej?
Dominują tu soja, kukurydza, bawełna, rzepak, ziemniaki, dynia, melon. Potentatami są Stany Zjednoczone, które uprawiają GMO na powierzchni 28,6 min ha, co stanowi aż 69 % światowego areału uprawianych roślin transgenicznych.
Kolejni wielcy producenci to Argentyna - 5,8 min ha, Kanada - 4 min ha, Chiny -1,3 min ha, Brazylia -1,2 min ha.
W tym rankingu Europa znajduje się na końcu z areałem produkcji - 0,01 min ha (wg danych 1999 r.).
W 2000 r. 55 % soi i 25 % kukurydzy wyprodukowanej w USA stanowiły odmiany genetycznie zmodyfikowane. W światowym rankingu typów transformacji dominują:
• cecha odporności na herbicyd - 71 % upraw GMO (np. kukurydza, która jest odporna na herbicyd totalny np. Roundup),
• odporność na owady błonkoskrzydłe - 22 % upraw GMO,
• jednoczesna odporność na herbicyd i owady - 7 % upraw GMO.
Inne ciekawe przykłady upraw GMO to:
• jabłka - odporne na insekty,
• banany - odporne na wirusy i grzyby,
• pomidor - wydłużony czas dojrzewania, nie miękną,
• winogron - cecha bezpestkowości,
• ziemniak - zmieniona struktura skrobii, która jest wykorzystywana do produkcji mas plastycznych samo-rozkładających się,
• rzepak - wyższa zawartość tłuszczu,
• truskawka - cecha mrozoodporności,
• mikroorganizmy- synteza enzymów wykorzystywanych w produkcji proszków
do prania oraz pochodnych dla przemysłu farmaceutycznego,
• ziemniak - odporność na szkodniki, głównie stonkę ziemniaczaną,
• ryż tzw. żółty - zwiększona zawartość B-karotenu,
• łosoś modyfikowany - zwiększenie szybkości przyrostu, genetycznie

Bezpieczeństwo żywności modyfikowanej genetycznie

Wg definicji zawartej w Kodeksie Żywnościowym FAO/WHO bezpieczeństwo żywności jest to pewność, że nie spowoduje ona szkodliwych skutków dla konsumenta o ile jest przygotowana i spożywana zgodnie z przeznaczeniem. Żywność powinna być oceniana poprzez porównanie z odpowiednimi produktami oryginalnymi, dla których istnieją standardy bezpieczeństwa przed wprowadzeniem do sprzedaży.
Najmniejszy opór społeczny budzi stosowanie GMO do produkcji leków, produkcji mikroorganizmów modyfikowanych w zamkniętych tzw. fermentorach, w których są produkowane enzymy używane później do produkcji proszków do prania, jogurtów, piwa.
Największe obawy budzi stosowanie GMO w rolnictwie, jako transgenicznych form roślin uprawnych wykorzystywanych do produkcji żywności. Ważną cechą bezpiecznego pożywienia jest brak pozostałości farmakologicznych albo toksycznych w końcowym produkcie genu. A


przecież istnieje obawa, że wprowadzony do łańcucha DNA „nowy" gen odpowiedzialny za pożądaną przez człowieka cechą, poza swoim właściwym działaniem, może przejawiać dodatkowy wpływ związany ze strukturą białka; np. działać jako toksyna, a tym samym wpływać na zdrowie ludzi spożywających produkty transgeniczne.
Lub inny przykład. Transgeniczne ryby, które wykazują jakąś szczególną przewagę adaptacyjną. Gdyby przedostały się do naturalnych zbiorników wodnych, mogłyby wyprzeć całkowicie normalne ryby z danego środowiska. Wszechstronne zastosowanie organizmów transgenicznych w rolnictwie czy w badaniach biomedycznych powoduje, że ich produkcja będzie się rozwijać coraz bardziej.
Przed naukowcami stanie bardzo ważne zadanie formułowania polityki prawnej dotyczącej biotechnologii jak i tworzenia obiegowych opinii odnoszących się do tego zagadnienia.
Na nich spoczywa etyczna i moralna odpowiedzialność za to co wykonują, za to, co wynika z prowadzonych przez nich badań. Muszą oni uczestniczyć w publicznym form debatującym nad ryzykiem i korzyściami wynikającymi z biotechnologii, aby podnieść poziom uświadomienia społeczeństwa w tej dziedzinie.

ZNACZENIE GENETYKI W DZIEDZINIE MEDYCYNY
Choroba to najbardziej znienawidzony przez ludzi stan. Naukowcy od najdawniejszych czasów próbują znaleźć leki na różne choroby. Myślę, że do tego mogą przyczynić się osiągnięcia genetyki.
Zastosowanie genetyki w leczeniu cukrzycy:
Osoby chore na cukrzycę, czyli diabetycy, muszą codziennie otrzymywać odpowiednią dawkę insuliny – hormonu, którego nie produkuje ich trzustka. Do tej pory(częściowo nadal) insulinę otrzymywano z trzustek wołowych i wieprzowych oddzielanych w rzeźniach. Oczyszczanie insuliny bydlęcej jest jednak bardzo pracochłonne i mało wydajne, a także różni się nieco od składu insuliny ludzkiej.
Genetycy wyizolowali gen insuliny z DNA człowieka i odpowiednimi metodami wprowadzili go do komórek bakterii. Otrzymali w ten sposób bakterie, produkujące ludzką insulinę. Takie genetycznie zmienione drobnoustroje, produkujące czystą insulinę, łatwo się hoduje i namnaża.

Obecnie wiele firm farmaceutycznych produkuje, dzięki bakteriom, także inne hormony i leki (na przykład czynniki krzepnięcia krwi dla chorych na hemofilię). Są one niestety na razie bardzo drogie, ale metody produkcji ciągle się ulepsza, sprawiając, że staje się ona coraz powszechniejsza.

TERAPIA GENOWA
W laboratoriach genetyków trwają badania nad tak zwaną terapią genową. Terapia genowa jest metodą przyszłościową, która obecnie przechodzi próby kliniczne. Dzięki tej metodzie być może uda się wyleczyć niektóre choroby genetyczne, na przykład: w leczeniu nowotworu krwi DNA ekstrahuje się ze szpiku kostnego pacjenta; geny poddaje się działaniu enzymów tnących DNA, modyfikuje się je, a następnie z powrotem wstrzykuje pacjentowi.

KLONOWANIE
Od kilku lat możliwe jest u zwierząt zastąpienie jądra komórki jajowej jądrem komórki somatycznej, która może pochodzić od tej samej matki, co komórka jajowa. Technika ta, zwana klonowaniem, prowadzi do autoreprodukcji cech genetycznych matki .
W lutym 1997 roku brytyjscy naukowcy z Edynburga ogłosili, że udało im się sklonować owcę Dolly, wykorzystując do tego komórki dorosłego zwierzęcia. Nie był to jednak jeszcze pełny sukces, ponieważ nie rozwiązano problemu przyspieszonego starzenia się komórek.
Proces klonowania przebiegał następująco:
1) pobranie komórek somatycznych jednego osobnika, ich hodowla in vitro(tak prowadzona, aby komórki znalazły się w fazie spoczynku);
2) pobranie komórki jajowej innego osobnika, pozbawienie jej jądra komórkowego;
3) elektrofuzja jądra komórki somatycznej z komórką jajową pozbawioną jądra;
4) przejęcie funkcji usuniętego jądra w komórce jajowej przez nowe jądro;
5) mitotyczne podziały komórki jajowej in vitro, powstanie zarodka;
6) wprowadzenie tak powstałego zarodka do macicy innej samicy;
7) powstanie z zarodka owcy będącej kopią genetyczną osobnika, z którego pobrano komórkę somatyczną.

Konsekwencje użycia klonowania u człowieka przekraczają granice wyobraźni. W odniesieniu do roślin, u których w odpowiednich warunkach z jednej czy kilku komórek somatycznych może się rozwinąć cały organizm, technika ta jest używana od wielu lat. Z jednego liścia róży otrzymuje się w warunkach laboratoryjnych dziesiątki identycznych szczepów zdolnych do dalszego rozwoju w warunkach ogrodowych.