Prve transgene biljke (biljke duhana s umetnutim genima iz mikroorganizama) dobivene su 1983. godine. Prva uspješna terenska ispitivanja transgenih biljaka (biljki duhana otpornih na virusne infekcije) provedena su u SAD-u već 1986. godine.
Nakon prolaska svih potrebnih testova na toksičnost, alergenost, mutagenost itd. Prvi transgenski proizvodi komercijalizirani su u SAD-u 1994. To su bile Calgenove Flavr Savr rajčice s odgođenim sazrijevanjem i Monsantova soja otporna na herbicide. Biotehnološke tvrtke već nakon 1-2 godine stavljaju na tržište brojne genetski modificirane biljke: rajčice, kukuruz, krumpir, duhan, soju, uljanu repicu, srži, rotkvicu, pamuk.
Trenutno su stotine komercijalnih tvrtki diljem svijeta s ukupnim kapitalom većim od sto milijardi dolara uključeni u dobivanje i testiranje genetski modificiranih biljaka. Godine 1999. transgene biljke zasađene su na ukupnoj površini od oko 40 milijuna hektara, što je više od veličine zemlje poput Velike Britanije. U SAD-u genetski modificirani usjevi (GM usjevi) sada čine oko 50% usjeva kukuruza i soje i više od 30-40% usjeva pamuka. To sugerira da je genetski modificirana biljna biotehnologija već postala važna industrija za proizvodnju hrane i drugih korisnih proizvoda, privlačeći značajne ljudske resurse i financijske tokove. U nadolazećim godinama očekuje se daljnji brzi porast površina koje zauzimaju transgene forme kultiviranih biljaka.
Prvi val transgenih biljaka odobrenih za praktičnu upotrebu sadržavao je dodatne gene za otpornost (na bolesti, herbicide, štetnike, kvarenje tijekom skladištenja i stresove).
Sadašnja faza u razvoju biljnog genetskog inženjeringa nazvana je "metabolički inženjering". Pritom zadatak nije toliko poboljšati određene postojeće kvalitete biljke, kao u tradicionalnom uzgoju, već naučiti biljku da proizvodi potpuno nove spojeve koji se koriste u medicini, kemijskoj proizvodnji i drugim područjima. Ti spojevi mogu biti, primjerice, posebne masne kiseline, korisni proteini s visokim udjelom esencijalnih aminokiselina, modificirani polisaharidi, jestiva cjepiva, antitijela, interferoni i drugi proteini “lijekovi”, novi ekološki prihvatljivi polimeri i još mnogo, mnogo više. Korištenjem transgenih biljaka moguće je uspostaviti široku i jeftinu proizvodnju takvih tvari i time ih učiniti dostupnijima za široku potrošnju.
Poboljšanje kvalitete biljnih skladišnih proteina
Skladišni proteini glavnih kultiviranih vrsta kodirani su obitelji blisko povezanih gena. Akumulacija skladišnih proteina sjemena složen je biosintetski proces. Prvi pokušaj genetskog inženjeringa poboljšanja svojstava jedne biljke uvođenjem gena za skladištenje proteina iz druge izveli su D. Kemp i T. Hall 1983. godine u SAD-u. Fazeolin gen graha prenesen je u genom suncokreta pomoću Ti plazmida. Rezultat ovog eksperimenta bila je samo himerna biljka, nazvana sanbin. Imunološki srodni polipeptidi fazeolina pronađeni su u stanicama suncokreta, što je potvrdilo činjenicu prijenosa gena između biljaka koje pripadaju različitim obiteljima
Kasnije je gen za fazaolin prenesen u stanice duhana: u regeneriranim biljkama gen je eksprimiran u svim tkivima, iako u malim količinama. Nespecifična ekspresija gena za fazaolin, kao iu slučaju njegovog prijenosa u stanice suncokreta, vrlo se razlikuje od ekspresije ovog gena u zrelim kotiledonima graha, gdje je fazaolin činio 25-50% ukupnog proteina. Ova činjenica ukazuje na potrebu očuvanja ostalih regulatornih signala ovog gena tijekom izgradnje himernih biljaka te na važnost kontrole ekspresije gena u procesu ontogeneze biljaka.
Gen koji kodira skladišni protein kukuruza, zein, nakon integracije u T-DNA, prenesen je u genom suncokreta na sljedeći način. Sojevi Agrobacterium koji sadrže Ti plazmide s genom zein korišteni su za indukciju tumora na stabljici suncokreta. Neki od dobivenih tumora sadržavali su mRNA sintetiziranu iz gena kukuruza, što daje temelj da se ovi rezultati smatraju prvim dokazom transkripcije gena jednosupnice u dvosupnici. Međutim, prisutnost proteina zeina u tkivima suncokreta nije otkrivena.
Realniji zadatak genetskog inženjeringa je poboljšanje aminokiselinskog sastava proteina. Kao što je poznato, u skladišnim proteinima većine žitarica postoji nedostatak lizina, treonina, triptofana, u mahunarkama - metionina i cisteina. Uvođenje dodatnih količina manjkavih aminokiselina u ove proteine moglo bi eliminirati neravnotežu aminokiselina. Tradicionalnim metodama uzgoja uspjelo se značajno povećati sadržaj lizina u skladišnim proteinima žitarica. U svim tim slučajevima dio prolamina (skladišni proteini žitarica topivi u alkoholu) zamijenjen je drugim proteinima koji sadrže mnogo lizina. Međutim, kod takvih biljaka došlo je do smanjenja veličine zrna i smanjenja prinosa. Čini se da su prolamini neophodni za formiranje normalnog zrna, a njihova zamjena drugim proteinima negativno utječe na prinos. S obzirom na ovu okolnost, za poboljšanje kvalitete proteina za skladištenje zrna potreban je protein koji ne samo da ima visok sadržaj lizina i treonina, već može u potpunosti nadomjestiti određeni dio prolamina tijekom formiranja zrna.
Biljke također mogu proizvoditi životinjske bjelančevine. Tako je umetanje himernog gena u genom Arabidopsis thaliana i Brassica napus koji se sastoji od dijela gena za protein Arabidopsis 25 i kodirajućeg dijela za neuropeptid enkefalin dovelo do sinteze himernog proteina do 200 ng po 1 g od sjemena. Dvije strukturne proteinske domene bile su povezane sekvencom koju je prepoznao tripsin, što je omogućilo daljnju jednostavnu izolaciju čistog enkefalina.
U drugom eksperimentu, nakon križanja transgenih biljaka, od kojih je u jednu umetnut gen za gama podjedinicu, au drugu gen za kapa podjedinicu imunoglobulina, bilo je moguće postići ekspresiju obaju lanaca u potomstvu. Kao rezultat toga, biljka je stvorila antitijela, koja su činila do 1,3% ukupnih proteina lista. Također je pokazano da se potpuno funkcionalni sekretorni monoklonski imunoglobulini mogu sastaviti u biljkama duhana. Sekretorni imunoglobulini obično se izlučuju u usnu šupljinu i želudac ljudi i životinja i služe kao prva barijera crijevnim infekcijama. U gore spomenutom radu proizvedena su monoklonska antitijela u biljkama koja su bila specifična za Streptococcus mutans, bakterije koje uzrokuju karijes. Pretpostavlja se da će na temelju takvih monoklonskih protutijela proizvedenih od strane transgenih biljaka biti moguće stvoriti istinsku zubnu pastu protiv karijesa. Od ostalih životinjskih proteina od medicinskog interesa, dokazana je proizvodnja ljudskog β-interferona u biljkama.
Također su razvijeni pristupi za dobivanje bakterijskih antigena u biljkama i njihovo korištenje kao cjepiva. Dobiven je krumpir koji eksprimira oligomere netoksične podjedinice β-toksina kolere. Ove transgene biljke mogle bi se koristiti za proizvodnju jeftinog cjepiva protiv kolere.
masti
Masne kiseline, glavni sastojak biljnog ulja, najvažnije su sirovine za dobivanje raznih vrsta kemikalija. Po svojoj strukturi to su ugljikovi lanci koji imaju različita fizikalno-kemijska svojstva ovisno o duljini i stupnju zasićenosti ugljikovih veza. Godine 1995. dovršena je eksperimentalna verifikacija i dobiveno je dopuštenje saveznih vlasti SAD-a za uzgoj i komercijalnu upotrebu transgenih biljaka uljane repice s modificiranim sastavom biljnog ulja, uključujući, uz konvencionalne 16- i 18-člane masne kiseline, i do do 45% 12-članih masnih kiselina.- laureat. Ova tvar se široko koristi za proizvodnju praškova za pranje, šampona i kozmetike.
Eksperimentalni rad sastojao se u činjenici da je specifičan gen tioesteraze kloniran iz biljke Umbellularia califomica, gdje je sadržaj laurata u masnoći sjemena dosegao 70%. Strukturni dio gena ovog enzima, pod kontrolom promotora-terminatora proteinskog gena specifičnog za ranu fazu formiranja sjemena, umetnut je u genom uljane repice i Arabidopsisa, što je dovelo do povećanja udjela laurat u ulju ovih biljaka.
Od ostalih projekata vezanih uz promjenu sastava masnih kiselina, mogu se spomenuti radovi na povećanju ili smanjenju udjela nezasićenih masnih kiselina u biljnom ulju. Zanimljivi su eksperimenti s petroselinskom kiselinom, izomerom oleinske kiseline, gdje je dvostruka veza iza šestog ugljikovog člana. Ova masna kiselina ulazi u sastav ulja korijandera i određuje njegovo više talište (33°C), dok je u prisustvu oleinske kiseline talište samo 12°C. Pretpostavlja se da će nakon prijenosa gena koji određuju sintezu petroselinske kiseline u biljke – proizvođače biljnog ulja, biti moguće proizvoditi dijetetski margarin koji će sadržavati nezasićenu masnu kiselinu. Osim toga, vrlo je lako dobiti laurat iz petroselinske kiseline oksidacijom ozonom. Daljnje proučavanje specifičnosti biokemijske sinteze masnih kiselina, po svemu sudeći, dovest će do mogućnosti kontrole ove sinteze kako bi se dobile masne kiseline različitih duljina i stupnjeva zasićenosti, što će značajno promijeniti proizvodnju deterdženata, kozmetike, slastica , učvršćivači, maziva, lijekovi, polimeri. , dizelsko gorivo i još mnogo toga, što je povezano s korištenjem ugljikovodičnih sirovina.
polisaharidi
Radi se na stvaranju transgenih biljaka krumpira i drugih usjeva koji akumuliraju škrob, u kojima će ta tvar biti uglavnom u obliku amilopektina, odnosno razgranatog oblika škroba, ili uglavnom samo u obliku amiloze, odnosno linearnog oblika. oblicima škroba. Otopina amilopektina u vodi je tekućina i prozirnija od otopine amiloze, koja u interakciji s vodom stvara kruti gel. Tako će, na primjer, škrob, koji se uglavnom sastoji od amilopektina, vjerojatno biti tražen na tržištu proizvođača raznih prehrambenih smjesa, gdje se modificirani škrob trenutno koristi kao punilo. Genomi plastida i mitohondrija također mogu biti podvrgnuti genetskoj modifikaciji. Takvi sustavi mogu značajno povećati sadržaj produkta u transgenskom materijalu.
Stvaranje biljaka otpornih na herbicide
U novim, intenzivnim poljoprivrednim tehnologijama, herbicidi se vrlo široko koriste. Povezano je s tim. da se dosadašnji, za okoliš opasni herbicidi širokog spektra, koji su otrovni za sisavce i dugotrajno ostaju u vanjskom okolišu, zamjenjuju novi, napredniji i sigurniji spojevi. Međutim, oni imaju nedostatak - inhibiraju rast ne samo korova, već i kultiviranih biljaka.Takvi visoko učinkoviti herbicidi kao što su glifosat, atrazini intenzivno se proučavaju kako bi se identificirao mehanizam tolerancije na njih nekih korova. Stoga se u područjima gdje se atrazin široko koristi biotipovi otporni na atrazin često pojavljuju u mnogim biljnim vrstama.
Proučavanje mehanizma otpornosti na herbicide kako bi se genetskim inženjeringom dobile kultivirane biljke s ovim svojstvom uključuje sljedeće korake: identifikaciju biokemijskih ciljeva djelovanja herbicida u biljnoj stanici, selekciju organizama rezistentnih na određeni herbicid kao izvora gena za rezistenciju; kloniranje tih gena, njihovo uvođenje u kultivirane biljke i proučavanje njihova funkcioniranja
Postoje četiri temeljno različita mehanizma koji mogu pružiti otpornost na određene kemijske spojeve, uključujući herbicide: transport, eliminacija, regulacija i kontakt. Transportni mehanizam rezistencije sastoji se u nemogućnosti prodiranja herbicida u stanicu. Pod djelovanjem eliminacijskog mehanizma rezistencije, tvari koje su ušle u stanicu mogu se uništiti uz pomoć inducibilnih staničnih čimbenika, najčešće degradirajućih enzima, te također proći jednu ili drugu vrstu modifikacije, tvoreći neaktivne proizvode koji su bezopasni za ćelija. Uz regulatornu rezistenciju počinje se intenzivno sintetizirati protein ili stanični enzim koji je inaktiviran pod djelovanjem herbicida, čime se otklanja nedostatak željenog metabolita u stanici. Kontaktni mehanizam otpornosti osigurava se promjenom strukture mete (proteina ili enzima), čija je interakcija povezana sa štetnim učinkom herbicida.
Utvrđeno je da je svojstvo otpornosti na herbicide monogeno, odnosno da je svojstvo najčešće određeno jednim genom. To uvelike olakšava mogućnost korištenja tehnologije rekombinantne DNA za prijenos ove osobine. Geni koji kodiraju razne enzime za razgradnju i modifikaciju herbicida mogu se genetskim inženjeringom uspješno koristiti za stvaranje biljaka otpornih na herbicide.
Tradicionalne metode uzgoja za stvaranje sorti otpornih na herbicide vrlo su dugotrajne i neučinkovite. Herbicid glifosat (komercijalni naziv Roundup), koji se u inozemstvu najviše koristi, inhibira sintezu najvažnijih aromatskih aminokiselina djelovanjem na enzim 5-enolpiruvilšikimat-3-fosfat sintazu (EPSP-sintazu). Poznati slučajevi rezistencije na ovaj herbicid povezani su ili s povećanjem razine sinteze ovog enzima (regulacijski mehanizam) ili s pojavom mutantnog enzima neosjetljivog na glifosfat (kontaktni mehanizam). Gen EPSP sintaze izoliran je iz biljaka otpornih na glifosfat i stavljen pod promotor virusa mozaika cvjetače. Pomoću Ti plazmida ovaj genetski konstrukt uveden je u stanice petunije. U prisutnosti jedne kopije gena u biljkama regeneriranim iz transformiranih stanica, enzim se sintetizirao 20-40 puta više nego u izvornim biljkama, ali je otpornost na glifosfat povećana samo 10 puta.
Atrazin je jedan od najčešćih herbicida koji se koriste u tretiranju usjeva. Inhibira fotosintezu tako što se veže za jedan od proteina fotosustava II i zaustavlja transport elektrona. Otpornost na herbicide proizlazi iz točkastih mutacija u ovom proteinu koji veže plastokinon (zamjena serina glicinom), zbog čega gubi sposobnost interakcije s herbicidom. U nizu slučajeva bilo je moguće prenijeti mutirani proteinski gen u biljke osjetljive na atrazin pomoću Ti plazmida. Gen rezistencije integriran u biljni kromosom dobio je signalnu sekvencu koja je osiguravala transport sintetiziranog proteina u kloroplaste. Kimerne biljke pokazale su značajnu otpornost na koncentracije atrazina koje su uzrokovale smrt kontrolnih biljaka s genom divljeg tipa proteina. Neke biljke mogu inaktivirati atrazin cijepanjem ostatka klora pomoću enzima glutation-S-transferaze. Isti enzim inaktivira i druge srodne herbicide iz serije triazina (propazin, simazin i dr.).
Postoje biljke čija se prirodna otpornost na herbicide temelji na detoksikaciji. Stoga se otpornost biljaka na klorsulfuron može povezati s deaktivacijom molekule herbicida njegovom hidroksilacijom i naknadnom glikozilacijom uvedene hidroksilne skupine. Razvoj biljaka otpornih na uzročnike bolesti i štetočine Otpornost biljaka na različite uzročnike bolesti najčešće je složeno multigensko svojstvo.
Istovremeni prijenos više lokusa otežan je čak i metodama genetskog inženjeringa, a da ne govorimo o klasičnim metodama selekcije. Drugi način je jednostavniji. Poznato je da se metabolizam mijenja kod otpornih biljaka kada ih napadnu patogeni. Akumuliraju se spojevi poput H2O2, salicilne kiseline, fitoaleksina. Povećana razina ovih spojeva doprinosi otpornosti biljke u borbi protiv patogena.
Evo jednog primjera koji dokazuje ulogu salicilne kiseline u imunološkom odgovoru biljaka. Transgene biljke duhana koje sadrže bakterijski gen koji kontrolira sintezu salicilat hidrolaze (ovaj enzim razgrađuje salicilnu kiselinu) nisu bile u stanju pokrenuti imunološki odgovor. Stoga, genetski modificirana promjena u razini salicilne kiseline ili proizvodnje u biljkama kao odgovor na H2O2 patogen može biti obećavajuća za stvaranje otpornih transgenih biljaka.
U fitovirologiji je široko poznat fenomen inducirane unakrsne rezistentnosti biljaka na virusne infekcije. Suština ovog fenomena je da se zarazom biljke jednim sojem virusa sprječava naknadna infekcija tih biljaka drugim sojem virusa. Molekularni mehanizam suzbijanja virusne infekcije još je nejasan. Pokazalo se da je za imunizaciju biljaka dovoljno uvođenje pojedinačnih virusnih gena, primjerice gena za kapsidne proteine. Tako je gen za protein ovojnice virusa duhanskog mozaika prenesen u stanice duhana i dobivene su transgene biljke u kojima je 0,1% svih proteina lista predstavljao virusni protein. Značajan dio tih biljaka prilikom zaraze virusom nije pokazivao nikakve simptome bolesti. Moguće je da protein virusne ovojnice sintetiziran u stanicama sprječava virusnu RNK da normalno funkcionira i formira punopravne virusne čestice. Utvrđeno je da ekspresija kapsidnog proteina virusa mozaika duhana, virusa mozaika lucerne, virusa mozaika krastavca, X-virusa krumpira u odgovarajućim transgenim biljkama (duhan, rajčica, krumpir, krastavci, paprika) osigurava visoku razinu njihove zaštitu od naknadne virusne infekcije. Štoviše, kod transformiranih biljaka nije došlo do smanjenja plodnosti, nepoželjnih promjena u rastu i fiziološkim karakteristikama izvornih jedinki i njihovih potomaka. Vjeruje se da je inducirana otpornost biljaka na viruse posljedica posebnog antivirusnog proteina, vrlo sličnog životinjskom interferonu. Čini se mogućim pomoću genetskog inženjeringa pojačati ekspresiju gena koji kodira ovaj protein njegovim pojačavanjem ili zamjenom za jači promotor.
Treba napomenuti da je korištenje genetskog inženjeringa u zaštiti biljaka od različitih patogenih mikroorganizama uvelike otežano nedostatkom znanja o mehanizmima obrambenih reakcija biljaka. Insekticidi se koriste za suzbijanje štetnih insekata u biljnoj proizvodnji. No, štetno djeluju na sisavce, ubijaju korisne kukce, zagađuju okoliš, prometnice, a osim toga kukci im se brzo prilagođavaju. Poznato je da je više od 400 vrsta insekata otporno na korištene insekticide. Stoga sve više pozornosti privlače biološka sredstva suzbijanja koja osiguravaju strogu selektivnost djelovanja i neprilagođenost štetnika na primijenjeni biopesticid.
Dugo je poznato da bakterija Bacillus thuringiensis proizvodi protein koji je vrlo toksičan za mnoge vrste insekata, a istovremeno siguran za sisavce. Protein (delta-endotoksin, CRY protein) proizvode različiti sojevi B. thuringiensis. Interakcija toksina s receptorima je strogo specifična, što otežava izbor kombinacije toksin-insekt. U prirodi je pronađen veliki broj sojeva B. thuringiensis čiji toksini djeluju samo na određene vrste insekata. Pripravci B. thuringiensis desetljećima se koriste za suzbijanje insekata na poljima. Sigurnost toksina i njegovih sastavnih proteina za ljude i druge sisavce u potpunosti je dokazana. Umetanje gena ovog proteina u biljni genom omogućuje dobivanje transgenih biljaka koje kukci ne jedu.
Osim specifičnosti vrste u smislu njihovog djelovanja na kukce, umetanje prokariotskih gena delta-toksina u biljni genom, čak ni pod kontrolom jakih eukariotskih promotora, nije dovelo do visoke razine ekspresije. Pretpostavlja se da je ovaj fenomen nastao zbog činjenice da ovi bakterijski geni sadrže znatno više adenin i timinskih nukleotidnih baza nego biljna DNK. Taj problem je riješen stvaranjem modificiranih gena, gdje su određeni fragmenti izrezani i dodani iz prirodnog gena, a sačuvane su domene koje kodiraju aktivne dijelove delta toksina. Na primjer, takvim pristupima dobiven je krumpir otporan na koloradsku krumpirovu zlaticu. Dobivene su transgene biljke duhana sposobne sintetizirati toksin. Takve su biljke bile neosjetljive na gusjenice Manduca sexta. Potonji su umrli unutar 3 dana od kontakta s biljkama koje proizvode toksine. Stvaranje toksina i rezultirajuća otpornost na insekte naslijeđena je kao dominantna osobina.
Trenutačno takozvane Bt biljke (od B. thuringiensis) pamuka i kukuruza čine glavninu ukupne količine genetski modificiranih biljaka ovih kultura koje se uzgajaju na poljima Sjedinjenih Država.
U vezi s mogućnostima genetskog inženjeringa za dizajn entomopatogenih biljaka na temelju toksina mikrobnog podrijetla, toksini biljnog podrijetla su od još većeg interesa. Fitotoksini su inhibitori sinteze proteina i imaju zaštitnu funkciju protiv insekata štetnika mikroorganizama i virusa. Među njima najbolje je proučen ricin sintetiziran u ricinusa: njegov gen je kloniran i utvrđen je nukleotidni slijed. Međutim, visoka toksičnost ricina za sisavce ograničava rad genetskog inženjeringa s njim samo na industrijske usjeve koji se ne koriste za prehranu ljudi i stočnu hranu. Toksin koji proizvodi American Phytolacca učinkovit je protiv virusa i bezopasan je za životinje. Njegov mehanizam djelovanja je deaktivacija vlastitih ribosoma kada različiti patogeni, uključujući fitoviruse, uđu u stanice. Zahvaćene stanice postaju nekrotične, sprječavajući razmnožavanje i širenje patogena po biljci. Trenutno su u tijeku studije za proučavanje gena za ovaj protein i njegov prijenos na druge biljke.
Virusne bolesti su raširene među kukcima, pa se za suzbijanje insekata-štetnika mogu koristiti prirodni virusi kukaca, čiji se pripravci nazivaju virusnim pesticidima. Za razliku od pesticida, imaju uski spektar djelovanja, ne ubijaju korisne kukce, brzo se uništavaju u okolišu i nisu opasni za biljke i životinje. Uz viruse insekata, kao biopesticidi koriste se i neke gljive koje inficiraju insekte štetnike. Trenutno korišteni biopesticidi su prirodni sojevi entomopatogenih virusa i gljivica, ali se u budućnosti ne isključuje mogućnost stvaranja novih učinkovitih biopesticida metodama genetskog inženjeringa.
Povećanje otpornosti biljaka na stresne uvjete
Biljke su vrlo često izložene različitim nepovoljnim čimbenicima okoliša: visokim i niskim temperaturama, nedostatku vlage, zaslanjivanju tla i onečišćenju okoliša, nedostatku ili, obrnuto, višku određenih minerala itd.
Tih čimbenika ima mnogo, pa su stoga i metode zaštite od njih raznolike - od fizioloških svojstava do strukturnih prilagodbi koje omogućuju prevladavanje njihovih štetnih učinaka.
Otpornost biljaka na pojedini stresni čimbenik rezultat je utjecaja velikog broja različitih gena, pa nije potrebno govoriti o potpunom prijenosu svojstava tolerantnosti s jedne biljne vrste na drugu metodama genetskog inženjeringa. Ipak, postoje određene mogućnosti da genetski inženjering poboljša otpornost biljaka. To se odnosi na rad s pojedinačnim genima koji kontroliraju metaboličke odgovore biljaka na stresne uvjete, na primjer, prekomjernu proizvodnju prolina kao odgovor na osmotski šok, salinitet, sintezu specifičnih proteina kao odgovor na toplinski šok, itd. Daljnje dubinsko proučavanje fizioloških , biokemijska i genetska osnova. Odgovor biljke na uvjete okoliša nedvojbeno će omogućiti korištenje metoda genetskog inženjeringa za izgradnju otpornih biljaka.
Do sada se može primijetiti samo neizravan pristup dobivanju biljaka otpornih na mraz koji se temelji na manipulacijama genetskog inženjeringa s Pseudomonas syringae. Ovaj mikroorganizam, koegzistirajući s biljkama, pridonosi njihovom oštećenju ranim mrazom.Mehanizam fenomena je zbog činjenice da stanice mikroorganizma sintetiziraju poseban protein koji je lokaliziran u vanjskoj membrani i središte je kristalizacije leda. Poznato je da stvaranje leda u vodi ovisi o tvarima koje mogu poslužiti kao središta stvaranja leda. Protein koji uzrokuje stvaranje kristala leda u raznim dijelovima biljke (lišće, stabljika, korijen) jedan je od glavnih čimbenika odgovornih za oštećenje tkiva biljaka osjetljivih na rane mrazeve. Brojni pokusi u strogo kontroliranim uvjetima pokazali su da sterilne biljke nisu stradale od mrazova do -6 - 8°C, dok su kod biljaka s odgovarajućom mikroflorom oštećenja nastala već na temperaturama od -1,5 - 2°C. Mutanti ovih bakterija , one koje su izgubile sposobnost sintetiziranja proteina koji uzrokuje stvaranje kristala leda nisu povećale temperaturu stvaranja leda, a biljke s takvom mikroflorom bile su otporne na mraz. Soj takvih bakterija, prskan preko gomolja krumpira, natjecao se s običnim bakterijama, što je dovelo do povećanja otpornosti biljaka na mraz. Moguće je da će takve bakterije, stvorene metodama genetskog inženjeringa i korištene kao sastavni dio vanjskog okoliša, služiti za borbu protiv mraza.
Povećanje učinkovitosti biološke fiksacije dušika
Enzim odgovoran za redukciju molekularnog dušika u amonij dobro je proučen. - nitrogenaza. Struktura nitrogenaze ista je u svih organizama koji fiksiraju dušik. Tijekom fiksacije dušika neophodan fiziološki uvjet je zaštita nitrogenaze od razaranja kisikom. Među fiksatorima dušika najbolje su proučeni rizobiji koji tvore simbiozu s mahunarkama i slobodnoživućom bakterijom Klebsiella pneumoniae. Utvrđeno je da je za fiksaciju dušika kod ovih bakterija odgovorno 17 gena, tzv. nif gena. Svi ti geni međusobno su povezani i nalaze se na kromosomu između gena za enzime biosinteze histidina i gena koji određuju apsorpciju šikiminske kiseline. U brzo rastućoj rizobiji nif geni postoje u obliku megaplazmida koji sadrži 200-300 tisuća parova baza.
Među genima za fiksaciju dušika identificirani su geni koji kontroliraju strukturu nitrogenaze, proteinskog faktora uključenog u prijenos elektrona, te regulatorni geni. Regulacija gena za fiksaciju dušika prilično je složena, pa se trenutno više ne raspravlja o genetski modificiranom prijenosu funkcije fiksacije dušika s bakterija izravno na više biljke. Kako su pokusi pokazali, čak ni u najjednostavnijem eukariotskom organizmu - kvascu, nije bilo moguće postići ekspresiju nif gena, iako su oni opstali 50 generacija.
Ovi pokusi su pokazali da je diazotrofija (fiksacija dušika) karakteristična isključivo za prokariotske organizme, a nif geni ne mogu prevladati barijeru koja razdvaja prokariote i eukariote zbog njihove presložene strukture i regulacije gena koji se nalaze izvan nif regije. Možda će prijenos nif gena uz pomoć Ti plazmida u kloroplaste biti uspješniji, jer su mehanizmi ekspresije gena u kloroplastima iu prokariotskim stanicama slični. U svakom slučaju, nitrogenaza mora biti zaštićena od inhibitornog djelovanja kisika. Osim toga, atmosferska fiksacija dušika je vrlo energetski intenzivan proces. Malo je vjerojatno da biljka pod utjecajem nif gena može tako radikalno promijeniti svoj metabolizam da bi stvorila sve te uvjete. Iako je moguće da će u budućnosti biti moguće stvoriti ekonomičniji kompleks nitrogenaze korištenjem metoda genetskog inženjeringa.
Realnije je korištenjem metoda genetskog inženjeringa riješiti sljedeće probleme: povećanje sposobnosti rizobija da koloniziraju mahunarke, povećanje učinkovitosti fiksacije i asimilacije dušika utjecajem na genetski mehanizam, stvaranje novih mikroorganizama koji fiksiraju dušik uvođenjem nif gena u njih, prenoseći sposobnost simbioze s mahunarki na druge .
Primarni zadatak genetskog inženjeringa za povećanje učinkovitosti biološke fiksacije dušika je stvaranje sojeva rizobija s pojačanom fiksacijom dušika i sposobnošću naseljavanja. Naseljavanje mahunarki rizobijama odvija se vrlo sporo, samo nekoliko njih daje kvržice. To je zato što je mjesto invazije rizobija samo jedno malo područje između točke rasta korijena i korijenove dlake najbliže njoj, koja je u fazi formiranja. Svi ostali dijelovi korijena i razvijene korijenove dlake biljke neosjetljivi su na naseljavanje. U nekim slučajevima formirane kvržice nisu u stanju fiksirati dušik, što ovisi o mnogim biljnim genima (identificirano je najmanje pet), posebno o nepovoljnoj kombinaciji dvaju recesivnih gena.
Korištenjem tradicionalnih metoda genetike i uzgoja, moguće je dobiti laboratorijske sojeve rizobija s većom sposobnošću naseljavanja. Ali oni su suočeni s konkurencijom lokalnih sojeva na terenu. Povećanje njihove konkurentnosti, očito, može se učiniti metodama genetskog inženjeringa. Povećanje učinkovitosti procesa fiksacije dušika moguće je pomoću tehnika genetskog inženjeringa koje se temelje na povećanju kopija gena, pojačavanju transkripcije onih gena čiji produkti čine „usko grlo“ u mehanizmu kaskade fiksacije dušika, uvođenjem jačih promotora itd. Važno je za povećanje učinkovitosti sustava nitrogenaze koji izravno reducira molekularni dušik u amonijak.
Poboljšanje učinkovitosti fotosinteze
C4 biljke karakteriziraju visoke stope rasta i fotosinteze, praktički nemaju vidljivu fotorespiraciju. Većina poljoprivrednih kultura koje pripadaju C3 biljkama imaju visok intenzitet fotorespiracije. Fotosinteza i fotorespiracija blisko su povezani procesi temeljeni na bifunkcionalnoj aktivnosti istog ključnog enzima, ribuloza bisfosfat karboksilaze (RuBPC). RuBF karboksilaza može vezati ne samo CO2, već i O2, odnosno provodi reakcije karboksilacije i oksigenacije. Oksigenacijom RuBF-a nastaje fosfoglikolat koji služi kao glavni supstrat za fotorespiraciju, proces oslobađanja CO2 na svjetlost, pri čemu se gube neki produkti fotosinteze. Niska fotorespiracija u C4 biljkama ne objašnjava se nedostatkom enzima glikolatnog puta, već ograničenjem reakcije oksigenaze, kao i reasimilacijom fotorespiracijskog CO2.
Jedan od zadataka genetskog inženjeringa je proučavanje mogućnosti stvaranja RuBPC s prevladavajućom karboksilaznom aktivnošću.
Dobivanje biljaka s novim svojstvima
Posljednjih godina znanstvenici su koristili novi pristup za proizvodnju transgenih biljaka s "antisense RNA" (okrenuta ili antisense RNA) koja vam omogućuje kontrolu rada gena od interesa. U ovom slučaju, prilikom konstruiranja vektora, kopija DNA (cDNA) umetnutog gena okreće se za 180°. Kao rezultat toga, u transgenskoj biljci nastaje normalna molekula mRNA i invertirana molekula, koja zbog komplementarnosti normalne mRNA s njom stvara kompleks i ne dolazi do sintetizacije kodiranog proteina.
Ovim pristupom dobivene su transgene biljke rajčice s poboljšanom kvalitetom plodova. Vektor je uključivao cDNA gena PG, koji kontrolira sintezu poligalakturonaze, enzima koji sudjeluje u razgradnji pektina, glavne komponente međustaničnog prostora biljnih tkiva. Genski produkt PG sintetizira se tijekom razdoblja zrenja plodova rajčice, a povećanje njegove količine dovodi do toga da rajčice postaju mekše, što značajno smanjuje njihov rok trajanja. Onesposobljavanje ovog gena u transgenima omogućilo je dobivanje biljaka rajčice s novim svojstvima plodova, koji ne samo da su dugo trajali, već su i same biljke bile otpornije na gljivične bolesti.
Isti pristup može se primijeniti za reguliranje sazrijevanja rajčice, au ovom slučaju kao meta se koristi gen EFE (enzim koji stvara etilen) čiji je produkt enzim uključen u biosintezu etilena. Etilen je plinoviti hormon čija je jedna od funkcija kontrola procesa zrenja plodova.
Strategija antisense konstrukata naširoko se koristi za modificiranje ekspresije gena. Ova se strategija koristi ne samo za dobivanje biljaka s novim kvalitetama, već i za osnovna istraživanja u genetici biljaka. Treba spomenuti još jedan pravac u biljnom genetičkom inženjerstvu, koji se donedavno uglavnom koristio u fundamentalnim istraživanjima - proučavanje uloge hormona u razvoju biljaka. Bit pokusa bila je dobiti transgene biljke s kombinacijom određenih bakterijskih hormonalnih gena, na primjer, samo iaaM ili ipt, itd. Ovi pokusi dali su značajan doprinos u dokazivanju uloge auksina i citokinina u diferencijaciji biljaka.
Posljednjih godina ovaj se pristup koristi u praktičnom uzgoju. Pokazalo se da su plodovi transgenih biljaka s genom iaaM pod promotorom gena Def (gen koji se izražava samo u plodovima) partenokarpni, odnosno nastali bez oprašivanja. Partenokarpsko voće karakterizira ili potpuni nedostatak sjemenki ili vrlo mali broj njih, što omogućuje rješavanje problema "dodatnih sjemenki", na primjer, u lubenici, citrusima itd. Već su dobivene transgene biljke tikve koje se uglavnom ne razlikuju od kontrolnih, ali praktički ne sadrže sjemenke.
Razoružani, lišeni onkogena Ti-plazmida, znanstvenici aktivno koriste za dobivanje mutacija. Ova metoda se naziva T-DNA insercijska mutageneza. T-DNA, integrirajući se u biljni genom, isključuje gen u koji je integrirana, a gubitkom funkcije lako se selektiraju mutanti (fenomen silencinga - utišavanje gena). Ova metoda je također izvanredna po tome što vam omogućuje da odmah otkrijete i klonirate odgovarajući gen. Trenutno su na ovaj način dobivene mnoge nove mutacije biljaka i klonirani su odgovarajući geni. MA Ramenskaya na temelju mutageneze T-DNA dobila je biljke rajčice s nespecifičnom otpornošću na plamenjaču. Ništa manje zanimljiv nije ni drugi aspekt rada - dobivene su transgene biljke s promijenjenim ukrasnim svojstvima.
Jedan primjer je proizvodnja biljaka petunije s raznobojnim cvjetovima. Sljedeće na redu su plave ruže s genom koji kontrolira sintezu plavog pigmenta, kloniran iz delphiniuma.
U svemiru strateške računalne igre StarCraft, izvanzemaljska rasa Zerga je izuzetna po tome što je naučila apsorbirati genetski materijal drugih organizama i transformirati vlastite gene, mijenjajući se i prilagođavajući se novim uvjetima. Ova, na prvi pogled, fantastična ideja puno je bliža stvarnim mogućnostima živih organizama nego što se čini.
Danas znamo mnogo o DNK: više od dva milijuna znanstvenih publikacija posvećeno je ovoj dvolančanoj molekuli. Molekula DNK može se zamisliti kao tekst napisan pomoću abecede od četiri slova (nukleotida). Ukupnost svih nukleotida koji čine kromosome bilo kojeg organizma naziva se genom. Ljudski genom ima približno tri milijarde "slova".
Odvojeni dijelovi genoma su izolirani geni - funkcionalni elementi koji su najčešće odgovorni za sintezu specifičnih proteina. Ljudi imaju oko 20 000 gena za kodiranje proteina. Proteini su, kao i molekule DNK, polimeri, ali nisu izgrađeni od nukleotida, već od aminokiselina. "Abeceda" aminokiselina koje čine proteine ima 20 molekula. Poznavajući sekvencu nukleotida gena, može se točno odrediti sekvenca aminokiselina proteina koji on kodira. Činjenica je da svi organizmi koriste isti (s malim varijacijama) dobro proučen genetski kod - pravila za slaganje kodona (trostrukih nukleotida) s određenim aminokiselinama. Ova svestranost omogućuje genima iz jednog organizma da rade u drugom organizmu i dalje proizvode isti protein.
prirodni inženjering
Jedna od glavnih metoda genetičkog inženjeringa biljaka koristi agrobakterije i mehanizam modifikacije biljnih genoma koji su razvili (vidi "PM" br. 10 "2005). Geni agrobakterija koji žive u tlu kodiraju posebne proteine koji mogu "vući " određenu molekulu DNK u biljnu stanicu, ugraditi je u biljni genom i time prisiliti biljku da proizvodi hranjive tvari koje su bakterije potrebne. Znanstvenici su posudili ovu ideju i primijenili je zamjenom gena koje bakterije trebaju onima koji kodiraju proteine potrebni u poljoprivredi. Na primjer, Bt toksini, koje proizvode bakterije u tlu Bacillus thuringiensis, koji su apsolutno sigurni za sisavce i otrovni za neke insekte, ili proteini koji biljci daju otpornost na određeni herbicid.
Razmjena gena za bakterije, čak i one nesrodne, vrlo je čest fenomen. Zbog toga su se nekoliko godina nakon početka njegove masovne uporabe pojavili mikrobi otporni na penicilin, a danas je problem rezistencije na antibiotike postao jedan od najalarmantnijih u medicini.
Od virusa do organizama
Prirodni "genetski inženjering" provode ne samo bakterije, već i virusi. U genomima mnogih organizama, pa tako i ljudi, nalaze se transpozoni – nekadašnji virusi koji su odavno integrirani u DNK domaćina i u pravilu, ne našteteći mu, mogu “skakati” s jednog mjesta u genomu na drugo.
Retrovirusi (kao što je HIV) mogu umetnuti svoj genetski materijal izravno u genom eukariotskih stanica (kao što su ljudske stanice). Adenovirusi ne ugrađuju svoje genetske informacije u genome životinja i biljaka: njihovi se geni mogu uključiti i raditi bez toga. Ovi i drugi virusi aktivno se koriste u genskoj terapiji za liječenje širokog spektra nasljednih bolesti.
Dakle, prirodni genetski inženjering ima vrlo široku primjenu u prirodi i igra veliku ulogu u prilagodbi organizama na okoliš. Što je još važnije, svi živi organizmi neprestano prolaze kroz genetske promjene kao rezultat nasumičnih mutacija. Iz ovoga proizlazi važan zaključak: zapravo je svaki organizam (osim klonova) jedinstven i genetski modificiran u odnosu na svoje pretke. Ima i nove mutacije i nove kombinacije prethodno postojećih varijanti gena - u genomu bilo kojeg djeteta pronađeni su deseci genetskih varijanti koje nitko od roditelja nije imao. Osim pojave novih mutacija, tijekom spolnog razmnožavanja u svakoj generaciji nastaje nova kombinacija genetskih varijanti koje već postoje kod roditelja.
Ispitano u eksperimentima
Danas se aktivno raspravlja o sigurnosti prehrambenih proizvoda koji sadrže genetski modificirane organizme (GMO). Za proizvode genetskog inženjeringa koje provodi čovjek, izraz "genetski modificirani organizmi" mnogo je prikladniji, budući da genetski inženjering omogućuje ubrzanje procesa genetskih promjena koje se događaju neovisno u prirodi i usmjerite ih u pravom smjeru za osobu . Međutim, nema značajnih razlika između mehanizama genetske modernizacije i prirodnih procesa genetske modifikacije, pa se opravdano može smatrati da proizvodnja GM hrane ne nosi dodatne rizike.
Međutim, kao i svaka znanstvena hipoteza, sigurnost GMO-a zahtijeva eksperimentalnu provjeru. Suprotno brojnim izjavama protivnika GMO-a, ovo pitanje je vrlo, vrlo pažljivo proučavano više od desetak godina. Ove godine u časopisu Kritički osvrti u biotehnologiji objavio pregled gotovo 1800 znanstvenih radova o proučavanju sigurnosti GMO-a u proteklih deset godina. Samo su tri studije potaknule sumnju na negativan utjecaj tri specifične GM sorte, ali te sumnje nisu bile opravdane, u još dva slučaja je utvrđena potencijalna alergenost GM sorti. Jedini potvrđeni slučaj odnosio se na umetanje gena brazilskog oraha u GM sortu soje. Standardni test u takvim slučajevima reakcije krvnog seruma osoba s alergijama na protein nove GM sorte pokazao je postojanje opasnosti, a programeri su odbili promovirati sortu na tržištu.
Osim toga, posebno treba spomenuti prikaz iz 2012. godine objavljen u časopisu Prehrambena i kemijska toksikologija, koji je obuhvatio 12 studija o sigurnosti GMO-a u hrani na nekoliko (dvije do pet) generacija životinja i 12 životinjskih studija dugotrajne (od tri mjeseca do dvije godine) konzumacije GMO-a u hrani. Autori pregleda zaključili su da nema negativnih učinaka GMO-a (u usporedbi s nemoderniziranim analogima).
Skandalozna otkrića
Zanimljivosti se javljaju oko nekih radova koji navodno pokazuju štetnost pojedinih GM biljnih vrsta. Tipičan primjer koji protivnici GMO-a vrlo rado navode je senzacionalna objava francuskog istraživača Séralinija u časopisu Prehrambena i kemijska toksikologija, koji je tvrdio da GM kukuruz uzrokuje rak i povećanu smrtnost štakora. U znanstvenoj zajednici Seralinijev rad izazvao je žestoke rasprave, ali ne zato što je istraživač dobio i objavio neke jedinstvene podatke. Razlog je bio taj što je, sa znanstvenog gledišta, rad urađen krajnje nemarno i sadržavao je grube pogreške uočljive na prvi pogled.
Ipak, fotografije štakora s velikim tumorima koje je predstavio Séralini ostavile su snažan dojam na javnost. Unatoč činjenici da njegov članak nije izdržao objektivnu kritiku i povučen je iz časopisa, nastavljaju ga citirati protivnici GMO-a, koje očito ne zanima znanstvena strana problema, a fotografije bolesnih štakora i dalje se prikazuju iz ekrani.
Znanstvena razina rasprava o potencijalnim opasnostima GMO-a u medijima iu društvu u cjelini upečatljiva je svojom naivnošću. Na policama trgovina možete pronaći škrob, sol, pa čak i "ne-GMO" vodu. GMO se stalno brka s konzervansima, pesticidima, sintetičkim gnojivima i dodacima hrani, s kojima genetski inženjering nije izravno povezan. Od stvarnih problema sigurnosti hrane takve rasprave vode u sferu nagađanja i zamjene pojmova.
Opasnosti - stvarne i ne
Međutim, niti ovaj članak niti drugi znanstveni radovi ne pokušavaju dokazati da su GMO-i “apsolutno sigurni”. Zapravo, nijedna hrana nije apsolutno sigurna, jer je čak i Paracelsus izrekao poznatu rečenicu: „Sve je otrov, a ništa nije bez otrova; jedna doza čini otrov nevidljivim. Čak i obični krumpir može izazvati alergije, a onaj zeleni sadrži otrovne alkaloide - solanine.
Može li se rad postojećih biljnih gena nekako promijeniti kao rezultat umetanja novog gena? Može, ali nijedan organizam nije imun na promjene u radu gena. Može li genetski inženjering proizvesti novu biljnu sortu koja će se proširiti izvan poljoprivrednog zemljišta i nekako utjecati na ekosustav? Teoretski je to moguće, ali događa se posvuda u prirodi: pojavljuju se nove vrste, mijenjaju se ekosustavi, neke vrste izumiru, druge zauzimaju njihovo mjesto. Međutim, nema razloga vjerovati da genetski inženjering nosi dodatne rizike za okoliš ili zdravlje ljudi ili životinja. Ali o tim se rizicima stalno trubi u medijima. Zašto?
GMO tržište je u velikoj mjeri monopolizirano. Među divovima je Monsanto na prvom mjestu. Naravno, veliki proizvođači GM sjemena i tehnologija su zainteresirani za profit, imaju svoje interese i svoj lobi. Ali oni ne zarađuju novac "iz ničega", već nudeći čovječanstvu progresivne poljoprivredne tehnologije, za koje proizvođači glasaju na najuvjerljiviji način - u dolarima, pesosima, juanima itd.
Glavni proizvođači i dobavljači "organskih" proizvoda uzgojenih zastarjelim tehnologijama i stoga skupljih (ali ne i boljih) također uopće nisu mali poljoprivrednici, već iste velike tvrtke s prometom od više milijardi dolara. Samo u SAD-u tržište organske hrane je 2012. godine vrijedilo 31 milijardu dolara. To je ozbiljan posao, a budući da organski proizvodi nemaju prednosti u odnosu na GMO, ali su skuplji za proizvodnju, ne mogu tržišnim metodama konkurirati GM sortama . Tako da lakovjerne potrošače preko medija moramo potaknuti neutemeljenim strahom od mitskih „škorpionovih gena“, koji stvaraju potražnju za skupim i niskotehnološkim „organskim proizvodima“. Osim toga, anti-GMO opisujući užasne opasnosti genetski modificiranih sorti koje proizvode proteine B. thuringiensis, obično zaborave spomenuti da su pripravci na bazi takvih usjeva ili iz njih izoliranih proteina dopušteni u “ekološkom uzgoju” (i naširoko se koriste). Kao i prirodni gnoj koji može biti izvor hrpe patogenih bakterija i drugog prirodnog blata.
Malo politike
Danas je genetski inženjering jedna od najproučavanijih tehnologija u smislu sigurnosti. Omogućuje vam da stvorite bolju hranu, smanjite količinu pesticida korištenih u poljima i zaštitite okoliš (da, zaštititi: više insekata i ptica živi na poljima zasijanim Bt sortama nego na "normalnim" poljima, koja se moraju redovito čistiti tretirati insekticidima) .
No postoji još jedan razlog za “borbu” protiv GMO-a – isključivo politički. Zemlje koje daleko zaostaju u biotehnologiji pokušavaju pronaći izgovor da zadrže jeftinije proizvode iz drugih zemalja izvan svojih tržišta. Međutim, takva zaštita domaćih proizvođača od stranih proizvoda ima smisla samo ako pomaže u kupnji vremena za razvoj vlastitih tehnologija do konkurentne države. Ukoliko se to ne učini, postoji ozbiljan rizik od zaostajanja za svjetskom znanstveno-tehnološkom razinom. Zauvijek.
ZNANSTVENA KNJIŽNICA - SAŽETCI - Modifikacija gena
Modifikacija gena
Genetičari i uzgajivači raspravljaju o najsloženijim problemima uzgoja biljaka i životinja, korištenju genetskih tehnologija u medicini i sigurnosti genetski modificiranih proizvoda.
1. Genetski inženjering
Genetski inženjering grana je molekularne genetike povezana s ciljanim stvaranjem novih kombinacija genetskog materijala. Temelj primijenjenog genetskog inženjeringa je teorija gena. Stvoreni genetski materijal sposoban je za reprodukciju u stanici domaćina i sintetiziranje krajnjih produkata metabolizma.
Genetski inženjering nastao je 1972. godine na Sveučilištu Stanford u SAD-u. Tada je laboratorij P. Berga dobio prvu rekombinantnu (hibridnu) DNA ili (recDNA). Kombinirao je fragmente DNK lambda faga, Escherichie coli i majmunskog virusa SV40.
Struktura rekombinantne DNA. Hibridna DNK ima oblik prstena. Sadrži gen (ili gene) i vektor. Vektor je fragment DNA koji osigurava reprodukciju hibridne DNA i sintezu krajnjih proizvoda genetskog sustava – proteina. Većina vektora dobivena je na bazi lambda faga, iz plazmida, SV40 virusa, polioma, kvasaca i drugih bakterija.
Sinteza proteina odvija se u stanici domaćinu. Najčešće korištena stanica domaćin je Escherichia coli, no koriste se i druge bakterije, kvasci, životinjske ili biljne stanice. Sustav domaćin-vektor ne može biti proizvoljan: vektor je prilagođen stanici domaćinu. Izbor vektora ovisi o specifičnosti vrste i ciljevima istraživanja.
Dva su enzima od ključne važnosti u izgradnji hibridne DNA. Prvi - restrikcijski enzim - reže molekulu DNA na fragmente na strogo određenim mjestima. A drugi - DNA ligaze - spajaju fragmente DNA u jednu cjelinu. Tek nakon izolacije takvih enzima stvaranje umjetnih genetskih struktura postalo je tehnički izvediv zadatak.
Faze sinteze gena. Geni koje treba klonirati mogu se dobiti kao fragmenti mehaničkom ili restriktaznom fragmentacijom ukupne DNA. Ali strukturni geni, u pravilu, moraju biti ili sintetizirani kemijski i biološki ili dobiveni u obliku DNK kopije glasničke RNK koja odgovara odabranom genu. Strukturni geni sadrže samo kodirani zapis konačnog produkta (protein, RNA) i potpuno su lišeni regulacijskih regija. I tako ti geni ne mogu funkcionirati u stanici domaćinu.
Pri primitku recDNA najčešće se formira nekoliko struktura od kojih je samo jedna neophodna. Stoga je obavezni korak selekcija i molekularno kloniranje recDNA unesene transformacijom u stanicu domaćina.
Postoje 3 načina selekcije recDNA: genetski, imunokemijski i hibridizacija s obilježenom DNA i RNA.
Kao rezultat intenzivnog razvoja metoda genetskog inženjeringa, dobiveni su klonovi mnogih gena: ribosomske, transportne i 5S RNA, histona, mišjeg, zečjeg, humanog globina, kolagena, ovalbumina, humanog inzulina i drugih peptidnih hormona, humanog interferona, itd. To je omogućilo stvaranje sojeva bakterija koje proizvode mnoge biološki aktivne tvari koje se koriste u medicini, poljoprivredi i mikrobiološkoj industriji.
Na temeljima genetskog inženjeringa nastala je grana farmaceutske industrije nazvana "DNA industrija". Jedna je od modernih grana biotehnologije.
Nema sumnje da potraga za genetičarima obećava da će se osoba riješiti mnogih bolesti. Već se genetski inženjering počinje aktivno koristiti u onkologiji, stvaraju se lijekovi koji su usmjereni protiv određenog tumora. Znanstvenici su identificirali gene koji predisponiraju razvoj dijabetesa, što znači da su se pojavile nove perspektive u liječenju ove teške bolesti. Humani inzulin (humulin) dobiven pomoću recDNA odobren je za terapijsku uporabu. Osim toga, na temelju brojnih mutanata za pojedine gene dobivenih tijekom njihovog proučavanja, stvoreni su vrlo učinkoviti testni sustavi za detekciju genetske aktivnosti čimbenika okoliša, uključujući detekciju kancerogenih spojeva.
Genetski inženjering je u kratkom vremenu imao veliki utjecaj na razvoj molekularno genetičkih metoda i omogućio značajan napredak na putu razumijevanja strukture i funkcioniranja genetskog aparata. Genetski inženjering ima velike perspektive u liječenju nasljednih bolesti, kojih je danas registrirano oko 2000. Genetski inženjering je osmišljen kako bi pomogao ispraviti pogreške prirode.
S druge strane, genetske tehnologije stvorile su posve nove probleme vezane uz mogućnost kloniranja živih bića, pa tako i čovjeka. Globalna znanstvena zajednica priznaje da je tehnički moguće klonirati identičnu ljudsku jedinku. Ali pitanje trebaju li čovječanstvu takvi pokušaji ostaje otvoreno. Dokazano je da u 99 posto slučajeva postoji rizik od urođenih deformacija - što znači da su takvi pokusi na osobi nedopustivi.
Međutim, nove genetske tehnologije temeljene na transgenezi i kloniranju igraju važnu ulogu u stvaranju visokoproduktivnih biljnih sorti i životinjskih pasmina. Pritom u prvi plan izbijaju problemi kako genetske sigurnosti tako i oni moralni i pravni.
U Rusiji se sva istraživanja kloniranja provode samo na životinjama. Diljem svijeta - uključujući i Rusiju - vode se žestoke rasprave oko još jednog proizvoda moderne znanosti: genetski modificirane hrane.
2. Je li modifikacija gena sigurna?
Tvorci genetski modificiranih proizvoda tvrde da su potpuno sigurni. Zagovornici njihove raširene uporabe uvjereni su da su dugogodišnja istraživanja dokazala sigurnost takvih proizvoda. Protivnici su uvjereni u suprotno.
Do sada se ti proizvodi nisu pokazali sigurnima za ljude. Mnoge vrste genetski modificiranih proizvoda zabranjene su za korištenje u zadnjim fazama eksperimenta kao jaki alergeni.
Jesu li u pravu skeptici koji kažu da su transgeni proizvodi opasni? Ili će možda postati naša hrana u 21. stoljeću?
Prije 30-ak godina napravljeni su prvi pokusi genetske modifikacije biljaka. Na primjer, možete uzeti jedan gen od jedne životinje ili biljke i umetnuti ga u drugu životinju ili biljku. Tako se primjerice može dobiti krumpir otporan na pesticide.
Genetski modificirana hrana ne samo da se stvara, već se i aktivno jede.
Tradicionalni uzgoj uključuje križanje unutar iste vrste. Čak je i rajčica oplemenjena uzgojem. No, tijekom selekcije dolazi do razmjene između jedinki iste vrste. A genetski inženjering vam omogućuje stvaranje nove DNK i manipuliranje njome. Na primjer, ako se gen krijesnice ubaci u DNK duhana, tada cvijet duhana počinje svijetliti ako ga treba zalijevati. To nije moguće postići selekcijskim metodama!
Prosvjednici najviše obraćaju pozornost na negativne procese ove tehnike. Ali nakon svega, nitko ne raspravlja s činjenicom da genetski modificirani proizvodi trebaju testiranje!
Branitelji biotehnološke industrije tvrde da su svi procesi vezani uz genetski modificirane proizvode pod strogom kontrolom.
Provodi se analiza običnih i transgenih biljaka. Znanstvenici moraju dokazati inspektorima da se namirnice ne razlikuju po kvaliteti.
Provjera proizvoda prolazi kroz sljedeće korake:
1. Usporedba strukture i kemijskog sastava običnih i transgenih biljaka.
2. Potreban je dokaz da konzumacija novog proizvoda ne šteti zdravlju ljudi.
Transgena soja (ima otpornost na herbicide) uvrštena je u proizvode koje jedemo posljednjih godina.
Je li novi protein toksičan? Protein je nekoliko godina testiran na toksičnost. Miševi su hranjeni dozama 1000 puta većim od doza koje konzumira osoba. Znanstvenici tvrde da nije identificirano ništa štetno za ljudski organizam.
Kako se probavljaju novi proteini? Umjetno stvoreni proteini uronjeni su u otopinu koja ima okolinu sličnu sastavu crijevima. Što se brže proizvod probavi, to bolje.
Eksperimenti su pokazali da novi protein nije alergen. Postoje i drugi načini testiranja stvorenog proteina. Ako ne prođe test, uništava se. Međutim, transgeni protein soje uspješno je prošao test! Napravljeno je 1800 analiza koje su pokazale da je sa sojom sve u redu.
Testni sustav radi. Samo treba slijediti metodologiju, kažu znanstvenici.
No, skeptici smatraju da znanost još uvijek zna premalo da bi tvrdila da je “sve pod kontrolom”. Živi organizmi su toliko složeni da je gotovo nemoguće predvidjeti njihovo ponašanje.
Međutim, tradicionalne metode uzgoja nisu uvijek sigurne. Naprotiv, u genetičkom inženjeringu se točno znaju načini unošenja gena. I opet, skeptici su sigurni da genetski inženjering, koristeći nove metode, riskira nanošenje nepopravljive štete prirodi. Njihovi protivnici kažu da je i selekcija opasna. ne radi se o jednom, nego o nekoliko gena! Stoga je rezultat selekcije još nepredvidljiviji!
Najgore je što su prije 30 godina eksperimentirali s genima ne shvaćajući što rade!
Otpor prema genetski modificiranim proizvodima u Europi je jači nego bilo gdje drugdje u svijetu. Nedavno je uvođenje transgenih proizvoda bilo vrlo teško: u Engleskoj je uvedeno oko 2000 takvih proizvoda, a sada ih je ostalo manje od 100!
3. Primjeri modifikacije gena
Javne organizacije u Europi pozivaju na uništavanje transgenih biljaka. Čudne biljke dobivaju se usađivanjem životinjskih gena u njih. Ekolozi su protiv ovih tehnologija, javnost je arogantna i prezirna prema genetski modificiranim proizvodima.
3.1 Povećanje klipa kukuruza
Meksiko ima siromašna tla, a samim time i vrlo loše usjeve kukuruza. Znanstvenici su dobili zadatak povećati veličinu klipa kukuruza. Kao rezultat istraživanja, u kukuruz je ugrađen gen koji neutralizira aluminijeve soli i otapa fosfate, što je omogućilo potpuni razvoj biljke na predloženim tlima.
Žetva je obećala da će biti 2 puta veća, ali je vlada, pod pritiskom ekoloških organizacija, zabranila ove studije. Ekolozi ignoriraju rezultate eksperimenta. Protivnici genetskog inženjeringa smatraju da su takvi pokusi štetni za okoliš, opasni po zdravlje i u konačnici dovode do ekološke katastrofe. Uostalom, nitko ne može jamčiti da ove tehnike neće dovesti do pojave novih insekata i korova!
3.2 Zaštita od pamuka
Sveučilište u Arizoni. Znanstvenici rade na povećanju prinosa pamuka. Biljka pati od invazije ružičastog crva. Ako je populacija štetnika velika, tada prinosi pamuka brzo padaju!
Potrebno je uvesti u pamuk gen koji će ubiti crva. Posljednjih 40 godina prskanje biljaka kemikalijama koristilo se za ubijanje insekata. Stradali su i ljudi i životinje. Pokušali su usaditi gen bakterije u pamuk. U lišću biljke pojavio se protein koji je otrovan za crva. Time je otpala potreba zaštite biljke kemikalijama!
Kao rezultat toga, dobivene su stotine hektara otrovnih biljaka, koje se same štite od štetnih insekata. Opet, vrijeme će proći, a štetnici će se naviknuti, razviti imunitet!
Ali ne samo bube - štetočine izazivaju strah! Ekolozi se boje da će se pojaviti posebno otporni korovi, pa stoga neće biti spasa od korova otpornih na kemikalije. Uostalom, pčele mogu nositi pelud nekoliko kilometara, a te će biljke ispuniti cijeli okrug. Međutim, postoje dokazi da se oprašivanje više ne događa na udaljenosti od 15 m. Ali čak i ako pelud modificirane biljke prevlada udaljenost, tada mora prijeći s vlastitom vrstom. Super-preživljavanje nije tako lako održavati ...
3.3 Riža s vitaminom A
Azija. 100 milijuna djece ne dobiva vitamin A koji je neophodan za puni vid. Činjenica je da je glavna hrana najsiromašnijih slojeva stanovništva riža. Djeca oslijepe od nedostatka vitamina A!
Uzgojiti rižu s vitaminom A i posijati je na polja u zaostalim zemljama plemenita je zadaća. Kako je ovo moguće? Narcis je otrovna biljka. Iz nje je potrebno uzeti 2 gena i unijeti je u rižu, koja će u ovom slučaju sadržavati vitamin “A”!
4. Užasi genetske modifikacije
Gen ljudske jetre dodan u rižu! Znanstvenici su riži počeli dodavati ljudske gene u pokušaju da genetski modificiranu hranu podignu na višu razinu.
Istraživači su u rižu unijeli gen koji potječe iz ljudske jetre, a koji proizvodi enzim koji potiče razgradnju štetnih kemijskih elemenata u ljudskom tijelu. Nadaju se da će enzim - CYP2B6 - učiniti isto s herbicidima i zagađivačima kada se pomiješa s rižom.
Međutim, protivnici genetski modificirane hrane kažu da će korištenje ljudskih gena prestrašiti potrošače koji su zgroženi idejom o kanibalizmu i znanstvenicima koji preuzimaju funkciju boga. Sue Meyer iz britanskog GeneWatcha kaže: "Mislim da nitko ne bi želio kupiti ovu rižu." "Ljudi su već izrazili gnušanje nad korištenjem ljudskih gena i zaprepaštenje osjećajem da ih biotehnološka industrija ne sluša. To će dodatno poljuljati njihovo samopouzdanje."
Genetska modifikacija usjeva obično koristi gene dobivene iz bakterija. Otporni su na samo jednu vrstu herbicida, što znači da poljoprivrednici mogu tretirati svoja polja koliko god žele radi kontrole štetočina, ali samo na jednu vrstu kemikalija. Cilj dodavanja ljudskog gena riži je stvoriti biljku koja je otporna na nekoliko vrsta herbicida.
Istraživači s Nacionalnog instituta za poljoprivredne biološke znanosti u Tsukubi u Japanu otkrili su da bi nova vrsta riže mogla biti otporna na 14 različitih vrsta herbicida. Profesor Richard Meylan, koji je napravio slično istraživanje na Institutu Purdue u Indiani, kaže da se takva riža može uzgajati na tlu zasićenom industrijskim onečišćenjem. U svom je istraživanju koristio zečje gene, ali kaže da ne vidi razlog zašto se ne bi koristili ljudski geni. Kaže da je priča o "frankensteinskoj hrani" besmislica i dodaje: "Mislim da etički razlozi nemaju nikakve veze s korištenjem ljudskih gena u genetskom inženjeringu za uzgoj hrane."
Proizvodnja riže u cijelom svijetu opada, a postoji utrka za pronalaženjem načina za povećanje prinosa riže, kao i novih sorti riže koje su otporne na viruse, s niskim udjelom alergena i proteina.
No, u Institutu za znanost u društvu protivnika genetske modifikacije kažu da enzim CYP2B6 može pogoditi čovjeka, dovesti do stvaranja novih virusa ili raka.
Dodaju: "Zagovornici modificiranja gena i velike zemlje proizvođači riže istražuju i promoviraju GM rižu bez obzira na sigurnost ili dugoročnu perspektivu."
Zaključak
Skeptici nisu sigurni da će genetske tehnologije riješiti društvene probleme. Snovi o ravnopravnoj raspodjeli hrane u cijelom svijetu su utopija.
Otpor prema genetski modificiranim proizvodima u Europi je jači nego bilo gdje drugdje u svijetu. Tvorci genetski modificiranih proizvoda tvrde da su potpuno sigurni. Zauzvrat, protivnici genetske modifikacije smatraju je "Pandorinom kutijom" s nepredvidivim posljedicama.
Očito je da će genetika u nadolazećim desetljećima još uvijek predstavljati mnoga iznenađenja čovječanstvu, rađati mnoge senzacije - imaginarne i stvarne, oko nje će bjesnjeti sporovi, pa čak i skandali. Društvo lako čuje one ljude koji se boje svega novoga, ali opasnost od mobitela nije ništa manja!
Glavno je da sva ta strka ne smeta previše ozbiljnom radu znanstvenika u jednom od najzanimljivijih i najperspektivnijih znanstvenih područja.
Terminološki rječnik
Genetski inženjering- praksa svrhovitog mijenjanja genetskih programa zametnih stanica kako bi se izvornim oblicima organizama dala nova svojstva ili stvorili potpuno novi oblici organizama. Glavna metoda genetskog inženjeringa sastoji se u izdvajanju gena ili skupine gena iz stanica organizma, njihovom kombiniranju s određenim molekulama nukleinske kiseline i uvođenju dobivenih hibridnih molekula u stanice drugog organizma.
Biološka zaštita- u genetičkom inženjerstvu - stvaranje i uporaba kombinacije biološkog materijala koji je siguran za ljude i objekte okoliša, čija svojstva isključuju nepoželjan opstanak genetski modificiranih organizama u okolišu i/ili prijenos genetske informacije na njih
Biotehnologija- u širem smislu - znanstvena disciplina i područje rada na granici između biologije i tehnologije, proučava načine i metode mijenjanja prirodnog okoliša oko čovjeka u skladu s njegovim potrebama.
Biotehnologija- u užem smislu - skup metoda i tehnika za dobivanje proizvoda i pojava korisnih za čovjeka uz pomoć bioloških agenasa. Biotehnologija uključuje genetski, stanični i ekološki inženjering
Ispuštanje genetski modificiranih organizama u okoliš– djelovanje ili nedjelovanje koje ima za posljedicu unošenje genetski modificiranih organizama u okoliš.
Djelatnosti genetskog inženjeringa- aktivnosti koje se provode metodama genetskog inženjeringa i genetski modificiranih organizama.
Genetski modificirani organizam– organizam ili više organizama, svaka nestanična, jednostanična ili višestanična tvorevina: – sposobna za reprodukciju ili prijenos nasljednog genetskog materijala; - različito od prirodnih organizama; - dobivena metodama genetskog inženjeringa; i - koji sadrži genetski modificirani materijal.
Genska dijagnostika- u genetičkom inženjerstvu - skup metoda za otkrivanje promjena u strukturi genoma.
zatvoreni sustav- u genetičkom inženjerstvu– sustav za provedbu djelatnosti genetskog inženjeringa, u kojem se genetske modifikacije unose u tijelo ili genetski modificirane organizme, prerađuju, uzgajaju, skladište, koriste, prevoze, uništavaju ili zakopavaju u uvjetima postojanja fizikalnih, kemijskih i bioloških barijere ili njihove kombinacije koje sprječavaju kontakt genetski modificiranih organizama sa stanovništvom i okolišem.
otvoreni sustav- u genetičkom inženjerstvu– sustav za provedbu djelatnosti genetskog inženjeringa, koji uključuje kontakt genetski modificiranih organizama sa stanovništvom i okolišem pri njihovom namjernom ispuštanju u okoliš, korištenju u medicinske svrhe, izvozu i uvozu te transferu tehnologija.
transgeni organizmi- životinje, biljke, mikroorganizmi, virusi čiji je genetski program modificiran metodama genetskog inženjeringa.
Fizička zaštita- u genetičkom inženjerstvu– stvaranje i uporaba posebnih tehničkih sredstava i tehnika kojima se sprječava ispuštanje genetski modificiranih organizama u okoliš i/ili prijenos genetske informacije na njih.
Književnost
1. Maniatis T., Metode genetskog inženjeringa, M., 1984;
2. Genetski inženjering Izvor #"#">#"#">Rubrikon
Genetski modificirani organizam - organizam ili više organizama, svaka nestanična, jednostanična ili višestanična tvorevina: - sposobna za reprodukciju ili prijenos nasljednog genetskog materijala; - različito od prirodnih organizama; - dobivena metodama genetskog inženjeringa; i - koji sadrži genetski modificirani materijal.
Fagi, isto što i bakteriofagi. ... fag (od grčkog Phagos - jedač) dio složenih riječi, koji u značenju odgovara riječima "jesti", "upijati" (na primjer, bakteriofag).
Biotehnologija je skup metoda i tehnika za dobivanje proizvoda i pojava korisnih za čovjeka uz pomoć bioloških agenasa. Biotehnologija uključuje genetski, stanični i ekološki inženjering.
Genetika je uzgojila soju da spriječi gubitak kose. U Japanu je razvijena genetski modificirana sorta soje koja potiče rast kose i sprječava gubitak kose od kemoterapije. Ako se potvrdi sigurnost novog proizvoda, da biste se spasili od ćelavosti, trebate samo povremeno jesti ove mahune, rekao je u srijedu profesor Massaki Yoshikawa, voditelj istraživačke grupe Sveučilišta Kyoto. Čudesno svojstvo žitarice dala je genetski uvedena komponenta (novokinin), koja ima antihipertenzivni učinak. Dobiva se iz aminokiselinskog sastava bjelanjka. Prema znanstvenicima, ova komponenta potiče rast kose širenjem krvnih žila i normalizacijom cirkulacije krvi. Učinkovitost graha potvrđena je u pokusima na miševima koji su obrijani, a zatim hranjeni modificiranim grahom u količini od jedne tisućinke miligrama antihipertenziva po gramu tjelesne težine. Zabilježeno je da se oporavak dlake ubrzao, a nakon povećanja doze miševi su prestali gubiti dlaku čak i kao rezultat kemoterapije. Stručnjaci kažu da se njihove bobe mogu koristiti i kao uobičajeni lijek za visoki krvni tlak. 13. travnja 2005
genetska modifikacija ( GM) - promjena u genomu živog organizma korištenjem tehnologije genetskog inženjeringa, uvođenjem jednog ili više gena uzetih iz jednog organizma donora u drugi. Nakon takvog unošenja (transfera), dobivena biljka već će se zvati genetski modificirana, odnosno transgena. Za razliku od tradicionalnog uzgoja, izvorni genom biljke gotovo nije zahvaćen, a biljka dobiva nova svojstva koja prije nije imala. Takvi znakovi (karakteristike, svojstva) uključuju: otpornost na razne čimbenike okoliša (na mraz, sušu, vlagu itd.), na bolesti, na štetnike, poboljšana svojstva rasta, otpornost na herbicide, pesticide. Konačno, znanstvenici mogu promijeniti nutritivna svojstva biljaka: okus, miris, sadržaj kalorija, vrijeme skladištenja. Korištenjem genetskog inženjeringa moguće je povećati prinose usjeva, što je vrlo važno s obzirom na to da svjetska populacija svake godine raste, a broj gladnih u zemljama u razvoju sve je veći.
Tradicionalnim uzgojem nova sorta se može dobiti samo unutar iste vrste. Na primjer, možete uzgajati potpuno novu sortu riže međusobnim križanjem različitih sorti riže. U tom slučaju dobiva se hibridna kombinacija iz koje zatim uzgajivač odabire samo oblike koji ga zanimaju.
Budući da se hibridizacija provodi između pojedinih biljaka, gotovo je nemoguće razviti sortu koja bi imala osobine koje nas zanimaju, a koje će naslijediti sljedeće generacije. Za rješavanje takvog problema potrebno je dosta vremena. Ako je potrebno razviti novu sortu pšenice i da ta sorta dobije neka svojstva riže, onda je tradicionalni uzgoj tu nemoćan. Došao je u pomoć, kada ga koristite, moguće je prenijeti određene karakteristike (svojstva) na eksperimentalnu biljku, a sve će se to provesti na razini DNK, pojedinačni geni. Na sličan način može se prenijeti npr. pšenica gen otpornost na mraz.
Metoda genetske modifikacije omogućuje, barem teoretski, izolirati pojedine gene koji su odgovorni za određena svojstva živih organizama i usaditi ih u potpuno druge organizme, pri čemu se značajno skraćuje vrijeme stvaranja nove vrste. Zbog toga mnogi uzgajivači i znanstvenici diljem svijeta koriste ovu tehnologiju pri uzgoju novih sorti. Sada su razvijene komercijalne sorte usjeva otporne na pesticide (herbicide), štetočine i bolesti. Također su dobivene sorte poboljšanog okusa, otporne na sušu i mraz.
Polimerija - međudjelovanje nealelnih više gena koji jednosmjerno utječu na razvoj istog svojstva; stupanj ispoljenosti neke osobine ovisi o broju gena. Polimerni geni se označavaju istim slovima, a aleli istog lokusa imaju isti indeks.
Polimerna interakcija nealelnih gena može biti kumulativna i nekumulativna. S kumulativnom (akumulativnom) polimerizacijom, stupanj manifestacije svojstva ovisi o ukupnom djelovanju nekoliko gena. Što je više dominantnih alela gena, to je ova ili ona osobina izraženija. Podjela u F2 prema fenotipu tijekom dihibridnog križanja događa se u omjeru 1: 4: 6: 4: 1, a općenito odgovara trećem, petom (tijekom dihibridnog križanja), sedmom (tijekom trihibridnog križanja), itd. linije u Pascalovom trokutu.
S nekamulativnim polimerizmom, svojstvo se očituje u prisutnosti barem jednog od dominantnih alela polimernih gena. Broj dominantnih alela ne utječe na težinu svojstva. Podjela u F2 po fenotipu kod dihibridnog križanja - 15:1.
Primjer polimerizma je nasljeđivanje boje kože kod ljudi, koja ovisi (u prvoj aproksimaciji) o četiri gena s kumulativnim učinkom.
Modifikacijski gen
Gen koji nema vlastitu ekspresiju u fenotipu, ali ima pojačavajući ili slabeći učinak na ekspresiju drugih gena (odnosno gen intenzifikatora
20. Kromosomska teorija i povijest njezina nastanka.
21.Mehanizmi nasljeđivanja spola. Utjecaj čimbenika unutarnje i vanjske sredine na razvoj spolnih obilježja.
22. Nasljeđivanje spolno vezanih svojstava.
Svi biseksualni organizmi imaju dvije vrste kromosoma. Prvi tip su autosomi (nespolni kromosomi). Isti su u ženskim i muškim organizmima. Drugi tip su spolni kromosomi, prema kojima postoje razlike u organizmima po spolu: ženke imaju 2 identična XX kromosoma, mužjaci imaju XY. Ova vrsta spola naziva se homogametskim. Tipično za sisavce, ribe, insekte. Drugi tip spola je heterogametni, ženke su XY, a muškarci XX. Spolni kromosomi razlikuju se po veličini. U većini organizama, mnogi geni su smješteni na X kromosomu, a pojedinačni geni su lokalizirani na Y kromosomu. Jedino je kod riba Y kromosom relativno bogatiji genima. Ako su geni lokalizirani na X kromosomu, a Y kromosom je genetski interan, tada se ova vrsta nasljeđivanja osobina naziva nasljeđivanjem vezanim za spol. Ako su geni prisutni samo na jednom kromosomu, a drugi je genetski interni, tada se takvi organizmi nazivaju genizigoti.
23. Vezano nasljeđivanje i crossing over
Budući da većina organizama ima mnogo (nekoliko tisuća) gena, a ograničen broj kromosoma, nekoliko gena nalazi se istovremeno na jednom kromosomu. Geni koji su dio istog kromosoma nazivaju se povezani i tvore vezujuću skupinu. Nasljeđuju se u cjelini, budući da je to određeno ponašanjem kromosoma u mejozi. U ovom slučaju, podjela prema povezanim svojstvima ne poštuje zakon neovisnog nasljeđivanja. Ako su geni smješteni blizu jedan drugoga, tada uvijek ostaju u originalnim kombinacijama.
Na primjer, AB / ab x ab / ab -> 1 Ab / ab: 1 ab / ab.
Ovo je slučaj takozvanog potpunog spajanja, koje se ne opaža često. Mnogo su češće situacije u kojima se geni nalaze na određenoj udaljenosti jedan od drugog. U takvom slučaju djelomičnog povezivanja, oni se mogu razdvojiti procesom koji se naziva crossing over. Ovo je još jedna vrsta genetske rekombinacije. Crossing over se događa u profazi prve mejotičke diobe u vrijeme konjugacije kromosoma. U to vrijeme kromatide homolognih kromosoma izmjenjuju fragmente nasljednog materijala, što rezultira novim kombinacijama gena.
Na primjer, AB / ab x ab / ab → AB / ab: ab / ab: Ab / ab: aB
Broj rekombinantnih (ili križnih) klasa uvijek je manji od nerekombinantnih, a omjer dviju klasa unutar svake skupine uvijek je 1:1. Vrijednost križanja, izračunata kao postotak rekombinanata prema ukupnom broju potomaka, pokazatelj je udaljenosti između gena i koristi se za mapiranje kromosoma – smještaj gena na karti kromosoma u strogo definiranom redoslijedu i na fiksnim udaljenostima. Ove udaljenosti imaju svojstvo aditivnosti, koje je sljedeće. Ako postoje tri gena poredana redoslijedom A-B-C, tada je AC = AB + BC. Takva aditivnost nedvosmisleno ukazuje na linearni raspored gena u kromosomima.
Ako se uzme u obzir crossing over između velikog broja gena, tada je slika mnogo složenija – pojedini crossing over djeluju međusobno. Takav međusobni utjecaj crossing-overa naziva se interferencija.
