Pierwsze rośliny transgeniczne (rośliny tytoniu z wstawionymi genami z mikroorganizmów) uzyskano w 1983 r. Pierwsze udane próby polowe roślin transgenicznych (rośliny tytoniu odporne na infekcję wirusową) przeprowadzono w USA już w 1986 r.
Po przejściu wszystkich niezbędnych testów na toksyczność, alergenność, mutagenność itp. Pierwsze produkty transgeniczne stały się dostępne na rynku w Stanach Zjednoczonych w 1994 r. Były to opóźnione dojrzewanie pomidorów Flavr Savr firmy Calgen i soja odporna na herbicydy firmy Monsanto. W ciągu 1-2 lat firmy biotechnologiczne wprowadzają na rynek cała linia rośliny modyfikowane genetycznie: pomidory, kukurydza, ziemniaki, tytoń, soja, rzepak, cukinia, rzodkiewka, bawełna.
Obecnie produkcją i testowaniem roślin genetycznie modyfikowanych zajmują się setki firm handlowych na całym świecie, dysponujących łącznym kapitałem przekraczającym sto miliardów dolarów. W 1999 roku zasadzono rośliny transgeniczne Całkowita powierzchnia około 40 milionów hektarów, co przekracza wielkość kraju takiego jak Wielka Brytania. W USA rośliny genetycznie modyfikowane (GM) stanowią obecnie około 50% upraw kukurydzy i soi oraz ponad 30-40% upraw bawełny. Sugeruje to, że genetycznie zmodyfikowana biotechnologia roślin stała się już ważnym sektorem w produkcji żywności i innych użytecznych produktów, przyciągającym znaczne zasoby ludzkie i przepływy finansowe. W nadchodzących latach należy spodziewać się dalszego szybkiego wzrostu powierzchni zajmowanej przez transgeniczne formy roślin uprawnych.
Pierwsza fala roślin transgenicznych dopuszczona do praktycznego stosowania zawierała dodatkowe geny odporności (na choroby, herbicydy, szkodniki, psucie się podczas przechowywania, stres).
Obecny etap rozwoju inżynierii genetycznej roślin nazywany jest „inżynierią metaboliczną”. W tym przypadku zadaniem nie jest tyle udoskonalenie pewnych istniejących cech rośliny, jak w przypadku tradycyjnej hodowli, ale nauczenie rośliny wytwarzania zupełnie nowych związków stosowanych w medycynie, produkcji chemicznej i innych dziedzinach. Związkami tymi mogą być na przykład specjalne kwasy tłuszczowe, zdrowe białka o dużej zawartości aminokwasy, modyfikowane polisacharydy, jadalne szczepionki, przeciwciała, interferony i inne białka „lecznicze”, nowe polimery, które nie zanieczyszczają środowiska i wiele, wiele więcej. Zastosowanie roślin transgenicznych umożliwia rozpoczęcie na szeroką skalę i taniej produkcji tego typu substancji, a co za tym idzie, zwiększenie ich dostępności do powszechnej konsumpcji.
Poprawa jakości roślinnych białek zapasowych
Białka zapasowe głównych gatunków uprawnych są kodowane przez rodzinę blisko spokrewnionych genów. Akumulacja białek zapasowych nasion jest złożonym procesem biosyntezy. Pierwszą próbę inżynierii genetycznej ulepszenia właściwości jednej rośliny poprzez wprowadzenie genu białka zapasowego z innej rośliny przeprowadzili D. Kemp i T. Hall w 1983 roku w USA. Gen fazoliny fasoli przeniesiono do genomu słonecznika przy użyciu plazmidu Ti. Rezultatem tego eksperymentu była jedynie chimeryczna roślina zwana sanbinem. W komórkach słonecznika odkryto immunologicznie spokrewnione polipeptydy fazoliny, co potwierdziło fakt transferu genów pomiędzy roślinami należącymi do różnych rodzin
Później gen fazoliny przeniesiono do komórek tytoniu: w roślinach zregenerowanych gen ulegał ekspresji we wszystkich tkankach, chociaż w małych ilościach. Nieswoista ekspresja genu fazoliny, podobnie jak w przypadku jego transferu do komórek słonecznika, bardzo różni się od ekspresji tego genu w dojrzałych liścieniach fasoli, gdzie fazolina stanowiła 25-50% białka ogółem. Fakt ten wskazuje na potrzebę zachowania innych sygnałów regulacyjnych tego genu podczas konstruowania roślin chimerycznych oraz znaczenie kontrolowania ekspresji genów podczas ontogenezy roślin.
Gen kodujący białko magazynujące kukurydzę, zeinę, po jego integracji z T-DNA, przeniesiono do genomu słonecznika w następujący sposób. Do indukcji nowotworów w łodygach słonecznika wykorzystano szczepy Agrobacterium zawierające plazmidy Ti z genem zeiny. Niektóre z powstałych nowotworów zawierały mRNA syntetyzowany z genów kukurydzy, co daje powód do uznania tych wyników za pierwszy dowód transkrypcji genu rośliny jednoliściennej na roślinę dwuliścienną. Jednakże w tkankach słonecznika nie wykryto obecności białka zeiny.
Bardziej realistycznym celem inżynierii genetycznej jest poprawa składu aminokwasowego białek. Jak wiadomo, w białkach zapasowych większości zbóż występuje niedobór lizyny, treoniny, tryptofanu, a w roślinach strączkowych – metioniny i cysteiny. Wprowadzenie dodatkowych ilości niedoborowych aminokwasów do tych białek może wyeliminować brak równowagi aminokwasowej. Stosując tradycyjne metody hodowli udało się znacząco zwiększyć zawartość lizyny w białkach spichrzowych zbóż. We wszystkich tych przypadkach część prolamin (rozpuszczalnych w alkoholu białek magazynujących zboża) została zastąpiona innymi białkami zawierającymi dużo lizyny. Jednak w takich roślinach wielkość ziarna zmniejszyła się, a plon spadł. Podobno prolaminy są niezbędne do powstania normalnego ziarna, a ich zastąpienie innymi białkami negatywnie wpływa na plon. Biorąc pod uwagę tę okoliczność, aby poprawić jakość białka zapasowego ziarna, potrzebne jest białko, które nie tylko ma wysoką zawartość lizyny i treoniny, ale może także w pełni zastąpić pewną część prolamin podczas tworzenia ziarna.
Rośliny mogą również wytwarzać białka zwierzęce. Zatem wprowadzenie do genomu roślin Arabidopsis thaliana i Brassica napus chimerycznego genu składającego się z części genu białka spichrzowego 25 Arabidopsis i części kodującej neuropeptyd enkefaliny doprowadziło do syntezy białka chimerycznego o masie do 200 ng na 1 g nasion. Obie domeny białek strukturalnych połączono sekwencją rozpoznawaną przez trypsynę, co umożliwiło późniejsze łatwe wyizolowanie czystej enkefaliny.
W innym doświadczeniu, po skrzyżowaniu roślin transgenicznych, do jednego z nich wprowadzono gen podjednostki gamma, a do drugiego gen podjednostki kappa immunoglobuliny, udało się uzyskać ekspresję obu łańcuchów u potomstwa. W rezultacie roślina wytworzyła przeciwciała stanowiące aż 1,3% całkowitego białka liścia. Wykazano także, że w roślinach tytoniu można gromadzić w pełni funkcjonalne wydzielnicze immunoglobuliny monoklonalne. Immunoglobuliny wydzielnicze są zwykle wydzielane do jamy ustnej i żołądka ludzi i zwierząt i służą jako pierwsza bariera dla infekcji jelitowych. We wspomnianej powyżej pracy wytworzono przeciwciała monoklonalne w roślinach, które były specyficzne dla Streptococcus mutans, bakterii wywołującej próchnicę zębów. Zakłada się, że w oparciu o takie przeciwciała monoklonalne wytwarzane przez rośliny transgeniczne możliwe będzie stworzenie prawdziwie przeciwpróchnicowej pasty do zębów. Spośród innych białek zwierzęcych będących przedmiotem zainteresowania medycznego wykazano wytwarzanie ludzkiego β-interferonu w roślinach.
Opracowano także metody uzyskiwania antygenów bakteryjnych z roślin i wykorzystywania ich jako szczepionek. Otrzymano ziemniaki wykazujące ekspresję oligomerów nietoksycznej podjednostki toksyny cholery. Te transgeniczne rośliny można wykorzystać do wyprodukowania taniej szczepionki przeciwko cholerze.
Tłuszcze
Najważniejszymi surowcami do produkcji różnego rodzaju chemikaliów są kwasy tłuszczowe – główny składnik oleju roślinnego. W swojej budowie są to łańcuchy węglowe, które w zależności od swojej długości i stopnia nasycenia wiązań węglowych mają różne właściwości fizykochemiczne. W 1995 roku zakończono badania eksperymentalne i uzyskano pozwolenie władz federalnych USA na uprawę i komercyjne wykorzystanie transgenicznych roślin rzepaku o zmodyfikowanym składzie oleju roślinnego, zawierającego, oprócz typowych 16- i 18-członowych kwasów tłuszczowych, aż do 45% 12-członowego kwasu tłuszczowego – laurata. Substancja ta jest szeroko stosowana do produkcji proszków do prania, szamponów i kosmetyków.
Prace eksperymentalne polegały na sklonowaniu genu specyficznej tioesterazy z rośliny Umbellularia califomica, w której zawartość laurynianu w tłuszczu nasion sięgała 70%. Część strukturalna genu tego enzymu, pod kontrolą promotora-terminatora genu białka specyficznego dla wczesnego etapu powstawania nasion, została wprowadzona do genomu nasion rzepaku i Arabidopsis, co doprowadziło do wzrostu zawartości laurynianów w oleju z tych roślin.
Inne projekty związane ze zmianą składu kwasów tłuszczowych obejmują prace mające na celu zwiększenie lub zmniejszenie zawartości nienasyconych kwasów tłuszczowych w oleju roślinnym. Interesujące są eksperymenty z kwasem petroselinowym, izomerem kwasu oleinowego, w którym wiązanie podwójne znajduje się za szóstym elementem węglowym. Ten kwas tłuszczowy wchodzi w skład olejku kolendrowego i decyduje o jego wyższej temperaturze topnienia (33°C), podczas gdy w obecności kwasu oleinowego temperatura topnienia wynosi zaledwie 12°C. Zakłada się, że po przeniesieniu genów determinujących syntezę kwasu petroselinowego do roślin produkujących olej roślinny, możliwa będzie produkcja margaryny dietetycznej zawierającej nienasycone kwasy tłuszczowe. Ponadto bardzo łatwo jest otrzymać laurynian z kwasu naftoselinowego poprzez utlenianie ozonem. Dalsze badania specyfiki biochemicznej syntezy kwasów tłuszczowych najwyraźniej doprowadzą do możliwości kontrolowania tej syntezy w celu uzyskania kwasów tłuszczowych o różnej długości i różnym stopniu nasycenia, co znacząco zmieni produkcję detergentów, kosmetyków, wyrobów cukierniczych , utwardzacze, smary, leki, polimery, olej napędowy i wiele innych związanych z wykorzystaniem surowców węglowodorowych.
Polisacharydy
Trwają prace nad stworzeniem transgenicznych roślin ziemniaka i innych roślin akumulujących skrobię, w których substancja ta będzie występowała głównie w postaci amylopektyny, czyli rozgałęzionej formy skrobi, lub głównie wyłącznie w postaci amylozy, czyli liniowe formy skrobi. Roztwór amylopektyny w wodzie jest bardziej płynny i przezroczysty niż amyloza, która w reakcji z wodą tworzy sztywny żel. Na przykład skrobia składająca się głównie z amylopektyny będzie prawdopodobnie poszukiwana na rynku producentów różnych mieszanek odżywczych, gdzie obecnie jako wypełniacz stosowana jest skrobia modyfikowana. Modyfikacji genetycznej mogą podlegać także genomy plastydów i mitochondriów. Systemy takie pozwalają znacząco zwiększyć zawartość produktu w materiale transgenicznym.
Tworzenie roślin odpornych na herbicydy
W nowych, intensywnych technologiach rolniczych, herbicydy znajdują bardzo szerokie zastosowanie. To jest z tym powiązane. że dotychczasowe, niebezpieczne dla środowiska herbicydy o szerokim spektrum działania, toksyczne dla ssaków i długo utrzymujące się w środowisku zewnętrznym, są zastępowane nowymi, bardziej zaawansowanymi i bezpiecznymi związkami. Mają jednak tę wadę, że hamują wzrost nie tylko chwastów, ale także roślin uprawnych.. Trwają intensywne badania nad wysoce skutecznymi herbicydami, takimi jak glifosat i atrazyny, w celu ustalenia mechanizmu tolerancji niektórych chwastów na nie. Zatem na polach, na których powszechnie stosuje się atrazynę, u wielu gatunków roślin dość często pojawiają się biotypy oporne na atrazynę.
Badanie mechanizmu oporności na herbicydy w celu uzyskania metodami inżynierii genetycznej roślin uprawnych posiadających tę cechę obejmuje następujące etapy: identyfikacja biochemicznych celów działania herbicydu w komórce roślinnej: wyselekcjonowanie organizmów odpornych na dany herbicyd jako źródła geny odporności: klonowanie tych genów: wprowadzanie ich do roślin uprawnych i badanie ich funkcjonowania
Istnieją cztery zasadniczo różne mechanizmy, które mogą zapewnić odporność na niektóre związki chemiczne, w tym herbicydy: transport, eliminacja, regulacja i kontakt. Mechanizm transportu oporności polega na niemożności przedostania się herbicydu do wnętrza komórki. Pod wpływem mechanizmu eliminacyjnego oporności substancje, które dostały się do komórki, mogą zostać zniszczone za pomocą indukowalnych czynników komórkowych, najczęściej degradujących enzymy, a także ulegają takiemu lub innemu rodzajowi modyfikacji, tworząc nieaktywne produkty nieszkodliwe dla komórki. W przypadku oporności regulacyjnej białko komórkowe lub enzym inaktywowany przez herbicyd zaczyna być intensywnie syntetyzowany, eliminując w ten sposób niedobór pożądanego metabolitu w komórce. Kontaktowy mechanizm oporności zapewnia zmiana struktury celu (białka lub enzymu), z którą interakcja wiąże się z szkodliwym działaniem herbicydu
Ustalono, że cecha oporności na herbicydy jest monogenowa, czyli najczęściej determinowana przez pojedynczy gen. Dzięki temu bardzo łatwo jest zastosować technologię rekombinacji DNA do przeniesienia tej cechy. Geny kodujące określone enzymy odpowiedzialne za niszczenie i modyfikację herbicydów można z powodzeniem wykorzystać do tworzenia roślin odpornych na herbicydy metodami inżynierii genetycznej.
Tradycyjne metody hodowli w celu uzyskania odmian odpornych na herbicydy są bardzo czasochłonne i nieskuteczne. Najszerzej stosowany za granicą herbicyd, glifosat (nazwa handlowa Roundup), hamuje syntezę niezbędnych aminokwasów aromatycznych, działając na enzym syntazę 5-enolopirogroniano-szikimiano-3-fosforanową (syntaza EPS). Znane przypadki oporności na ten herbicyd są związane albo ze wzrostem poziomu syntezy tego enzymu (mechanizm regulacyjny), albo z pojawieniem się zmutowanego enzymu niewrażliwego na glifosforan (mechanizm kontaktowy). Gen syntazy EPSF wyizolowano z roślin odpornych na glifosat i umieszczono pod promotorem wirusa mozaiki kalafiora. Za pomocą plazmidu Ti ten konstrukt genetyczny wprowadzono do komórek petunii. W obecności jednej kopii genu rośliny zregenerowane z transformowanych komórek syntetyzowały 20-40 razy więcej enzymu niż rośliny oryginalne, ale odporność na glifosforan wzrosła tylko 10-krotnie.
Jednym z najpopularniejszych herbicydów stosowanych w uprawach zbóż jest atrazyna. Hamuje fotosyntezę, wiążąc się z jednym z białek fotosystemu II i zatrzymując transport elektronów. Oporność na herbicydy powstaje w wyniku mutacji punktowych w tym białku wiążącym plastochinon (zastąpienie seryny glicyną), powodując utratę przez nie zdolności do interakcji z herbicydem. W wielu przypadkach możliwe było przeniesienie zmutowanego genu białka do roślin wrażliwych na atrazynę przy użyciu plazmidu Ti. Gen odporności zintegrowany z chromosomem roślinnym został wyposażony w sekwencję sygnałową zapewniającą transport syntetyzowanego białka do chloroplastów. Rośliny chimeryczne wykazywały znaczną odporność na stężenia atrazyny, które powodowały śmierć roślin kontrolnych z genem białka typu dzikiego. Niektóre rośliny są w stanie inaktywować atrazynę poprzez eliminację pozostałości chloru za pomocą enzymu S-transferazy glutationowej. Ten sam enzym inaktywuje inne pokrewne herbicydy z grupy triazyn (propazyna, symazyna itp.).
Istnieją rośliny, których naturalna odporność na herbicydy opiera się na detoksykacji. Zatem odporność roślin na chlorosulfuron może być powiązana z dezaktywacją cząsteczki herbicydu poprzez jej hydroksylację, a następnie glikozylację wprowadzonej grupy hydroksylowej. Tworzenie roślin odpornych na patogeny i szkodniki Odporność roślin na poszczególne patogeny jest najczęściej złożoną cechą wielogenową.
Jednoczesna transmisja kilku loci jest trudna nawet przy zastosowaniu metod inżynierii genetycznej, nie mówiąc już o klasycznych metodach selekcji. Inny sposób jest prostszy. Wiadomo, że odporne rośliny zmieniają swój metabolizm pod wpływem patogenów. Gromadzą się takie związki jak H2O2, kwas salicylowy i fitoaleksyny. Zwiększony poziom tych związków pomaga roślinie przeciwstawić się patogenom.
Oto jeden przykład potwierdzający rolę kwasu salicylowego w odpowiedzi immunologicznej roślin. Transgeniczne rośliny tytoniu, które zawierają gen bakteryjny kontrolujący syntezę hydrolazy salicylowej (enzym ten rozkładający kwas salicylowy), nie były w stanie wywołać odpowiedzi immunologicznej. Dlatego genetyczna zmiana poziomów kwasu salicylowego lub jego produkcji w roślinach w odpowiedzi na patogen H2O2 może być obiecująca w tworzeniu odpornych roślin transgenicznych.
W fitowirusologii powszechnie znane jest zjawisko indukowanej oporności krzyżowej roślin na infekcje wirusowe. Istota tego zjawiska polega na tym, że zakażenie rośliny jednym szczepem wirusa zapobiega późniejszemu zakażeniu tych roślin innym szczepem wirusa. Molekularny mechanizm supresji infekcji wirusowych jest nadal niejasny. Wykazano, że do uodpornienia roślin wystarczy wprowadzenie poszczególnych genów wirusowych, np. genów białek kapsydu. W ten sposób gen białka otoczki wirusa mozaiki tytoniowej przeniesiono do komórek tytoniu i otrzymano rośliny transgeniczne, w których 0,1% wszystkich białek liści było reprezentowanych przez białko wirusowe. Znaczna część tych roślin po zakażeniu wirusem nie wykazywała żadnych objawów choroby. Jest możliwe, że białko otoczki wirusa syntetyzowane w komórkach uniemożliwia normalne funkcjonowanie wirusowego RNA i tworzenie pełnoprawnych cząstek wirusa. Ustalono, że ekspresja białka kapsydu wirusa mozaiki tytoniu, wirusa mozaiki lucerny, wirusa mozaiki ogórka i wirusa X ziemniaka w odpowiednich roślinach transgenicznych (tytoń, pomidory, ziemniaki, ogórki, papryka) zapewnia wysoki poziom ochrona przed późniejszą infekcją wirusową. Ponadto w roślinach transformowanych nie zaobserwowano spadku płodności, niepożądanych zmian we wzroście i cechach fizjologicznych osobników wyjściowych i ich potomstwa. Uważa się, że indukowana odporność roślin na wirusy wynika ze specjalnego białka przeciwwirusowego, bardzo podobnego do interferonu zwierzęcego. Wydaje się, że możliwe jest zastosowanie inżynierii genetycznej w celu wzmocnienia ekspresji genu kodującego to białko poprzez jego amplifikację lub podstawienie silniejszym promotorem.
Należy zauważyć, że zastosowanie inżynierii genetycznej do ochrony roślin przed różnymi mikroorganizmami chorobotwórczymi jest w dużej mierze utrudnione przez brak wiedzy na temat mechanizmów reakcji obronnych roślin. Do zwalczania szkodników owadzich w produkcji roślinnej stosuje się środki chemiczne - insektycydy. Działają jednak szkodliwie na ssaki, zabijają pożyteczne owady, zanieczyszczają środowisko, drogi, a w dodatku owady szybko się do nich przystosowują. Wiadomo, że ponad 400 gatunków owadów jest odpornych na stosowane środki owadobójcze. Dlatego coraz większą uwagę zwraca się na środki zwalczania biologicznego, które zapewniają ścisłą selektywność działania i brak adaptacji szkodników do stosowanego biopestycydu.
Od dawna znana jest bakteria Bacillus thuringiensis, produkująca białko bardzo toksyczne dla wielu gatunków owadów, ale jednocześnie bezpieczne dla ssaków. Białko (endotoksyna delta, białko CRY) jest wytwarzane przez różne szczepy B. thuringiensis. Oddziaływanie toksyny z receptorami jest ściśle specyficzne, co komplikuje wybór kombinacji toksyna-owad. W przyrodzie znaleziono dużą liczbę szczepów B. thuringiensis, których toksyny atakują tylko niektóre rodzaje owadów. Preparaty B. thuringiensis są stosowane od dziesięcioleci do zwalczania owadów na polach. Bezpieczeństwo toksyny i jej białek składowych dla ludzi i innych ssaków zostało w pełni udowodnione. Wstawienie genu tego białka do genomu rośliny umożliwia otrzymanie roślin transgenicznych, które nie są zjadane przez owady.
Oprócz specyficznego gatunkowo wpływu na owady, integracja genów prokariotycznej toksyny delta z genomem rośliny, nawet pod kontrolą silnych promotorów eukariotycznych, nie doprowadziła do wysoki poziom wyrażenie. Prawdopodobnie zjawisko to wynika z faktu, że te geny bakteryjne zawierają znacznie więcej zasad nukleotydowych adeninowych i tyminowych niż DNA roślin. Problem ten rozwiązano tworząc zmodyfikowane geny, w których wycięto i dodano pewne fragmenty naturalnego genu, zachowując domeny kodujące aktywne części toksyny delta. Przykładowo, stosując takie podejście, uzyskano ziemniaki odporne na stonki ziemniaczanej. Otrzymano transgeniczne rośliny tytoniu zdolne do syntezy toksyny. Rośliny takie były niewrażliwe na gąsienice Manduca sexta. Ten ostatni zmarł w ciągu 3 dni od kontaktu z roślinami wytwarzającymi toksyny. Produkcja toksyn i wynikająca z niej odporność na owady były dziedziczone jako cecha dominująca.
Obecnie tzw. rośliny Bt (z B. thuringiensis) bawełny i kukurydzy zajmują większość całkowitej ilości genetycznie zmodyfikowanych roślin tych upraw uprawianych na polach w USA.
Ze względu na możliwości inżynierii genetycznej polegające na konstruowaniu roślin entomopatogennych w oparciu o toksyny pochodzenia mikrobiologicznego, jeszcze większym zainteresowaniem cieszą się toksyny pochodzenia roślinnego. Fitotoksyny są inhibitorami syntezy białek i pełnią funkcję ochronną przed szkodnikami owadzimi, mikroorganizmami i wirusami. Najlepiej poznaną ze wszystkich jest rycyna, syntetyzowana w ziarnach rącznika: sklonowano jej gen i określono sekwencję nukleotydów. Jednakże wysoka toksyczność rycyny dla ssaków ogranicza prace z nią w zakresie inżynierii genetycznej jedynie do upraw przemysłowych, które nie są wykorzystywane jako żywność dla ludzi lub pasza dla zwierząt. Toksyna wytwarzana przez fitolakkę amerykańską jest skuteczna przeciwko wirusom i jest nieszkodliwa dla zwierząt. Mechanizm jego działania polega na inaktywacji własnych rybosomów, gdy do komórek przedostaną się różne patogeny, w tym fitowirusy. Dotknięte komórki stają się nekrotyczne, co zapobiega namnażaniu się i rozprzestrzenianiu patogenu w całej roślinie. Obecnie trwają badania mające na celu zbadanie genu tego białka i przeniesienie go na inne rośliny.
Choroby wirusowe są szeroko rozpowszechnione wśród owadów, dlatego do zwalczania szkodników owadzich można stosować naturalne wirusy owadzie, których preparaty nazywane są pestycydami wirusowymi. W odróżnieniu od pestycydów mają wąskie spektrum działania, nie zabijają pożytecznych owadów, szybko rozkładają się w środowisku zewnętrznym i nie stanowią zagrożenia dla roślin i zwierząt. Oprócz wirusów owadzich, niektóre grzyby atakujące szkodniki owadzie są stosowane jako biopestycydy. Obecnie stosowane biopestycydy to naturalne szczepy entomopatogennych wirusów i grzybów, jednak nie można wykluczyć możliwości stworzenia w przyszłości nowych, skutecznych biopestycydów metodami inżynierii genetycznej.
Zwiększenie odporności roślin na warunki stresowe
Rośliny bardzo często są narażone na działanie różnych niekorzystnych czynników. środowisko: wysokie i niskie temperatury, brak wilgoci, zasolenie gleby i zanieczyszczenie środowiska, niedobór lub wręcz nadmiar niektórych minerałów itp.
Tych czynników jest wiele, dlatego też metody ochrony przed nimi są różnorodne – od właściwości fizjologicznych po adaptacje strukturalne, które pozwalają przezwyciężyć ich szkodliwe działanie.
Odporność roślin na dany czynnik stresowy jest wynikiem oddziaływania wielu różnych genów, dlatego nie można mówić o całkowitym przeniesieniu cech tolerancji z jednego gatunku rośliny na drugi za pomocą metod inżynierii genetycznej. Jednakże inżynieria genetyczna ma pewien potencjał poprawy odporności roślin. Dotyczy to pracy z indywidualnymi genami, które kontrolują reakcje metaboliczne roślin na warunki stresowe, np. nadprodukcję proliny w odpowiedzi na szok osmotyczny, na zasolenie, syntezę specjalnych białek w odpowiedzi na szok cieplny itp. Dalej dogłębne studium Fizjologiczne, biochemiczne i genetyczne podstawy reakcji rośliny na warunki środowiskowe niewątpliwie pozwolą na wykorzystanie metod inżynierii genetycznej do projektowania roślin odpornych.
Jak dotąd można zauważyć jedynie pośrednie podejście do uzyskiwania roślin mrozoodpornych, polegające na manipulacji inżynierią genetyczną przy użyciu Pseudomonas syringae. Mikroorganizm ten, współistniejąc z roślinami, przyczynia się do ich uszkodzeń przez wczesne przymrozki.Mechanizm tego zjawiska polega na tym, że komórki mikroorganizmu syntetyzują specjalne białko, które zlokalizowane jest w błonie zewnętrznej i jest ośrodkiem krystalizacji lodu. Wiadomo, że powstawanie lodu w wodzie zależy od substancji, które mogą służyć jako centra tworzenia się lodu. Białko powodujące tworzenie się kryształków lodu różne części roślin (liście, łodygi, korzenie), jest jednym z głównych czynników odpowiedzialnych za uszkodzenia tkanek roślinnych wrażliwych na wczesne przymrozki. Liczne doświadczenia prowadzone w ściśle kontrolowanych warunkach wykazały, że sterylne rośliny nie zostały uszkodzone przez przymrozki do -6 - 8°C, natomiast w roślinach posiadających odpowiednią mikroflorę uszkodzenia następowały już w temperaturach -1,5 - 2°C. Mutanty tych bakterii, tzw. które utraciły zdolność syntezy białka powodującego powstawanie kryształków lodu, nie podnosiły temperatury powstawania lodu, a rośliny posiadające taką mikroflorę były odporne na mróz. Szczep takich bakterii opryskiwany bulwami ziemniaka konkurował z bakteriami konwencjonalnymi, co doprowadziło do zwiększenia mrozoodporności roślin. Być może właśnie takie bakterie, stworzone metodami inżynierii genetycznej i wykorzystane jako składnik środowiska zewnętrznego, posłużą do walki z mrozem.
Poprawa efektywności biologicznego wiązania azotu
Enzym odpowiedzialny za redukcję azotu cząsteczkowego do amonu został dobrze zbadany. - azotaza. Struktura azotazy jest taka sama u wszystkich organizmów wiążących azot. Podczas wiązania azotu niezbędnym warunkiem fizjologicznym jest ochrona azotazy przed zniszczeniem pod wpływem tlenu. Najlepiej zbadanymi wiążącymi azot są ryzobia, które tworzą symbiozę z roślinami strączkowymi, oraz wolno żyjąca bakteria Klebsiella pneumoniae. Ustalono, że u tych bakterii za wiązanie azotu odpowiada 17 genów, tzw. genów nif. Wszystkie te geny są ze sobą powiązane i znajdują się na chromosomie pomiędzy genami enzymów biosyntezy histydyny a genami warunkującymi wchłanianie kwasu szikimowego. W szybko rosnących ryzobiach geny nif występują w postaci megaplazmidu zawierającego 200-300 tysięcy par zasad.
Wśród genów wiązania azotu zidentyfikowano geny kontrolujące strukturę azotazy, czynnika białkowego biorącego udział w transporcie elektronów, oraz geny regulacyjne. Regulacja genów wiążących azot jest dość złożona, dlatego obecnie nie dyskutuje się już o genetycznie zmodyfikowanym przeniesieniu funkcji wiązania azotu z bakterii bezpośrednio na rośliny wyższe. Jak wykazały eksperymenty, nawet w najprostszym organizmie eukariotycznym, drożdżach, nie udało się uzyskać ekspresji genów nif, mimo że zachowały się one przez 50 pokoleń.
Doświadczenia te wykazały, że diazotrofia (wiązanie azotu) jest charakterystyczna wyłącznie dla organizmów prokariotycznych, a geny nif nie są w stanie pokonać bariery oddzielającej prokarioty od eukariontów ze względu na ich zbyt złożoną budowę i regulację przez geny zlokalizowane poza regionem nif. Bardziej skuteczne może być przeniesienie genów nif za pomocą plazmidów Ti do chloroplastów, ponieważ mechanizmy ekspresji genów w chloroplastach i komórkach prokariotycznych są podobne. W każdym przypadku azotazę należy chronić przed hamującym działaniem tlenu. Ponadto wiązanie azotu atmosferycznego jest procesem bardzo energochłonnym. Jest mało prawdopodobne, aby roślina pod wpływem genów nif mogła zmienić swój metabolizm tak radykalnie, aby stworzyć wszystkie te warunki. Choć możliwe jest, że w przyszłości, wykorzystując metody inżynierii genetycznej, uda się stworzyć bardziej ekonomicznie działający kompleks azotazy.
Bardziej realistyczne jest zastosowanie metod inżynierii genetycznej do rozwiązania następujących problemów: zwiększenie zdolności ryzobii do kolonizacji roślin strączkowych, zwiększenie efektywności wiązania i asymilacji azotu poprzez wpływ na mechanizm genetyczny, utworzenie nowych mikroorganizmów wiążących azot poprzez wprowadzenie do nich genów nif , przenosząc zdolność do symbiozy z roślin strączkowych na inne .
Podstawowym celem inżynierii genetycznej mającej na celu poprawę efektywności biologicznego wiązania azotu jest stworzenie szczepów ryzobii o zwiększonej zdolności wiązania azotu i kolonizacji. Kolonizacja roślin strączkowych przez ryzobie przebiega bardzo powoli, tylko na nielicznych z nich powstają brodawki. Dzieje się tak dlatego, że miejscem inwazji ryzobii jest tylko jeden mały obszar pomiędzy punktem wzrostu korzenia a najbliższym włośnikiem, który znajduje się w fazie formowania. Wszystkie pozostałe części korzenia i rozwinięte włośniki rośliny są niewrażliwe na kolonizację. W niektórych przypadkach utworzone guzki nie są w stanie wiązać azotu, co jest zależne od wielu genów roślin (zidentyfikowano co najmniej pięć), w szczególności od niekorzystnej kombinacji dwóch genów recesywnych.
Stosując tradycyjne metody genetyki i selekcji udało się uzyskać laboratoryjne szczepy ryzobii o większej zdolności kolonizacyjnej. Jednak w warunkach polowych doświadczają konkurencji ze strony lokalnych odmian. Zwiększenie ich konkurencyjności najwyraźniej można osiągnąć za pomocą metod inżynierii genetycznej. Zwiększenie efektywności procesu wiązania azotu możliwe jest poprzez zastosowanie technik inżynierii genetycznej polegających na zwiększaniu liczby kopii genów, wzmacnianiu transkrypcji tych genów, których produkty tworzą „wąskie gardło” w kaskadowym mechanizmie wiązania azotu, poprzez wprowadzenie silniejszych promotorów itp. ważne jest, aby zwiększyć współczynnik przydatna akcja sam układ azotaz, który bezpośrednio redukuje azot cząsteczkowy do amoniaku.
Zwiększenie efektywności fotosyntezy
Rośliny C4 charakteryzują się wysokim tempem wzrostu i fotosyntezy, praktycznie nie mają widocznego fotooddychania. Większość roślin zaliczanych do roślin C3 charakteryzuje się dużą intensywnością fotooddychania. Fotosynteza i fotooddychanie to procesy ściśle ze sobą powiązane, które opierają się na dwufunkcyjnej aktywności tego samego kluczowego enzymu – karboksylazy rybulozobisfosforanowej (RuBPC). Karboksylaza RuBP może dodawać nie tylko CO2, ale także O2, czyli przeprowadza reakcje karboksylacji i utleniania. Podczas utlenowania RuBP powstaje fosfoglikolan, który służy jako główny substrat fotooddychania – procesu uwalniania CO2 w świetle, w wyniku którego następuje utrata części produktów fotosyntezy. Niską fotooddychanie u roślin C4 tłumaczy się nie brakiem enzymów szlaku glikolanowego, ale ograniczeniem reakcji oksygenazy, a także ponowną asymilacją fotooddychania CO2.
Jednym z wyzwań stojących przed inżynierią genetyczną jest zbadanie możliwości wytworzenia RuBPA z dominującą aktywnością karboksylazy.
Uzyskanie roślin o nowych właściwościach
W ostatnich latach naukowcy stosują nowe podejście do produkcji roślin transgenicznych z „antysensownym RNA” (odwróconym lub antysensownym RNA), które pozwala im kontrolować działanie genu będącego przedmiotem zainteresowania. W tym przypadku podczas konstruowania wektora kopia DNA (c-DNA) wstawionego genu zostaje obrócona o 180°. W rezultacie w roślinie transgenicznej powstają cząsteczka normalnego mRNA i cząsteczka odwrócona, która dzięki komplementarności normalnego mRNA tworzy z nią kompleks, a kodowane białko nie ulega syntezie.
Podejście to zastosowano w celu uzyskania transgenicznych roślin pomidora o lepszej jakości owoców. Wektor zawierał c-DNA genu PG, który kontroluje syntezę poligalakturonazy, enzymu biorącego udział w niszczeniu pektyny, głównego składnika przestrzeni międzykomórkowej tkanek roślinnych. Produkt genu PG syntetyzowany jest w okresie dojrzewania owoców pomidora, a zwiększenie jego ilości powoduje, że pomidory stają się bardziej miękkie, co znacznie skraca ich trwałość. Wyłączenie tego genu w transgenach umożliwiło uzyskanie roślin pomidora o nowych właściwościach owocowych, które nie tylko przetrwały znacznie dłużej, ale same rośliny były bardziej odporne na choroby grzybowe.
W ten sam sposób można regulować czas dojrzewania pomidorów i w tym przypadku jako cel wykorzystuje się gen EFE (enzym tworzący etylen), którego produktem jest enzym biorący udział w biosyntezie etylenu. Etylen to hormon gazowy, którego jedną z funkcji jest kontrola procesu dojrzewania owoców.
Strategia konstruktów antysensownych ma szerokie zastosowanie do modyfikowania ekspresji genów. Strategia ta służy nie tylko uzyskaniu roślin o nowych właściwościach, ale także podstawowe badania w genetyce roślin. Warto wspomnieć o jeszcze jednym kierunku inżynierii genetycznej roślin, który do niedawna był wykorzystywany głównie w badaniach podstawowych – badaniu roli hormonów w rozwoju roślin. Istotą eksperymentów było otrzymanie roślin transgenicznych z kombinacją określonych bakteryjnych genów hormonalnych, np. tylko iaaM lub ipt itp. Te eksperymenty przyczyniły się do tego znaczący wkład dowód na rolę auksyn i cytokinin w różnicowaniu roślin.
W ostatnich latach podejście to zaczęto stosować w doborze praktycznym. Okazało się, że owoce roślin transgenicznych z genem iaaM, zlokalizowanym pod promotorem genu Def (genu ulegającego ekspresji tylko w owocach), są partenokarpiczne, czyli powstają bez zapylenia. Owoce partenokarpiczne charakteryzują się albo całkowitym brakiem nasion, albo ich bardzo małą liczbą, co pozwala rozwiązać problem „dodatkowych nasion”, na przykład w arbuzie, owocach cytrusowych itp. Uzyskano już transgeniczne rośliny cukinii, które w zasadzie nie różnią się od kontrolnych, ale praktycznie nie zawierają nasion.
Naukowcy aktywnie wykorzystują rozbrojony, pozbawiony onkogenów plazmid Ti, do uzyskania mutacji. Metoda ta nazywana jest mutagenezą insercyjną T-DNA. T-DNA integrując się z genomem rośliny wyłącza gen, z którym został zintegrowany, a poprzez utratę funkcji łatwo można wyselekcjonować mutanty (zjawisko wyciszenia – wyciszanie genu). Metoda ta jest również niezwykła, ponieważ pozwala na natychmiastowe wykrycie i sklonowanie odpowiedniego genu. Obecnie uzyskano w ten sposób wiele nowych mutacji roślin i sklonowano odpowiadające im geny. M. A. Ramenskoy na podstawie mutagenezy T-DNA uzyskał rośliny pomidora o niespecyficznej odporności na zarazę późną. Nie mniej interesujący jest inny aspekt pracy – uzyskano rośliny transgeniczne o zmienionych właściwościach dekoracyjnych.
Jednym z przykładów jest produkcja petunii o kolorowych kwiatach. Następne w kolejności są niebieskie róże z genem kontrolującym syntezę niebieskiego pigmentu, sklonowane z ostróżki.
W uniwersum strategicznej gry komputerowej StarCraft pozaziemska rasa zergów wyróżnia się tym, że nauczyła się asymilować materiał genetyczny innych organizmów i przekształcać własne geny, zmieniając się i dostosowując do nowych warunków. Ten na pierwszy rzut oka fantastyczny pomysł jest znacznie bliższy realnym możliwościom organizmów żywych, niż się wydaje.
Dziś wiemy dużo o DNA: tej dwuniciowej cząsteczce poświęcono ponad dwa miliony publikacji naukowych. Cząsteczkę DNA można uznać za tekst napisany przy użyciu czteroliterowego alfabetu (nukleotydów). Całość wszystkich nukleotydów tworzących chromosomy dowolnego organizmu nazywa się genomem. Ludzki genom zawiera około trzech miliardów „liter”.
Poszczególne odcinki genomu to izolowane geny – elementy funkcjonalne, które najczęściej odpowiadają za syntezę określonych białek. Ludzie mają około 20 000 genów kodujących białka. Białka, podobnie jak cząsteczki DNA, są polimerami, ale składają się nie z nukleotydów, ale z aminokwasów. „Alfabet” aminokwasów tworzących białka składa się z 20 cząsteczek. Znając sekwencję nukleotydową genu, można dokładnie określić sekwencję aminokwasową kodowanego przez niego białka. Faktem jest, że wszystkie organizmy korzystają z tego samego (z niewielkimi różnicami) dobrze zbadanego kod genetyczny- zasady dopasowywania kodonów (potrójnych nukleotydów) do określonych aminokwasów. Ta wszechstronność pozwala genom z jednego organizmu pracować w innym organizmie i nadal wytwarzać to samo białko.
Inżynieria Naturalna
Jedna z głównych metod inżynierii genetycznej roślin wykorzystuje agrobakterie i opracowany przez nie mechanizm modyfikacji genomów roślin (por. PM nr 10 „2005). Geny agrobakterii żyjących w glebie kodują specjalne białka, które mogą „wciągnąć” określony DNA cząsteczkę do komórki roślinnej i integruje ją z genomem rośliny, zmuszając w ten sposób roślinę do wytwarzania składników odżywczych potrzebnych bakteriom. Naukowcy zapożyczyli ten pomysł i wdrożyli go, zastępując geny potrzebne bakteriom genami kodującymi białka potrzebne w organizmie rolnictwo. Na przykład toksyny Bt wytwarzane przez bakterie glebowe Bacillus thuringiensis całkowicie bezpieczne dla ssaków i trujące dla niektórych owadów, czy białka nadające roślinie odporność na konkretny herbicyd.
Wymiana genów na bakterie, nawet niepowiązane, jest zjawiskiem bardzo powszechnym. To właśnie z tego powodu drobnoustroje oporne na penicylinę pojawiły się zaledwie kilka lat po rozpoczęciu jej masowego stosowania, a dziś problem antybiotykooporności stał się jednym z najbardziej niepokojących w medycynie.
Od wirusów po organizmy
Naturalna „inżynieria genetyczna” obejmuje nie tylko bakterie, ale także wirusy. Genomy wielu organizmów, w tym ludzi, zawierają transpozony - dawne wirusy, które od dawna są zintegrowane z DNA gospodarza i z reguły bez szkody dla żywiciela mogą „przeskakiwać” z jednego miejsca genomu do drugiego.
Retrowirusy (takie jak HIV) są w stanie wprowadzić swój materiał genetyczny bezpośrednio do genomu komórek eukariotycznych (na przykład komórek ludzkich). Adenowirusy nie integrują się Informacja genetyczna w genomy zwierząt i roślin: ich geny można włączyć i pracować bez tego. Te i inne wirusy są aktywnie wykorzystywane w terapii genowej w leczeniu całego szeregu chorób dziedzicznych.
Zatem naturalna inżynieria genetyczna jest bardzo szeroko stosowana w przyrodzie i odgrywa ogromną rolę w adaptacji organizmów do środowiska. Co ważniejsze, wszystkie żywe organizmy podlegają ciągłym zmianom genetycznym poprzez przypadkowe mutacje. Wynika z tego ważny wniosek: tak naprawdę każdy organizm (z wyjątkiem klonów) jest wyjątkowy i genetycznie zmodyfikowany w porównaniu ze swoimi przodkami. Ma zarówno nowe mutacje, jak i nowe kombinacje istniejących wcześniej wariantów genów – w genomie każdego dziecka, którego nie miało żadne z rodziców, można znaleźć dziesiątki wariantów genetycznych. Oprócz pojawienia się nowych mutacji, podczas rozmnażania płciowego w każdym pokoleniu nowa kombinacja warianty genetyczne już istniejące u rodziców.
Sprawdzone w eksperymentach
Obecnie aktywnie dyskutuje się o bezpieczeństwie produktów spożywczych zawierających organizmy genetycznie zmodyfikowane (GMO). Do wytworów inżynierii genetycznej prowadzonej przez człowieka znacznie lepiej pasuje określenie „organizmy genetycznie zmodernizowane”, gdyż inżynieria genetyczna pozwala przyspieszyć te procesy zmian genetycznych, które niezależnie zachodzą w przyrodzie i skierować je w pożądanym przez człowieka kierunku . Nie ma jednak znaczących różnic pomiędzy mechanizmami modernizacji genetycznej a naturalnymi procesami modyfikacji genetycznych, zatem można zasadnie przyjąć, że produkcja żywności GMO nie stwarza dodatkowych zagrożeń.
Jednakże, jak każda hipoteza naukowa, bezpieczeństwo GMO wymagało weryfikacji eksperymentalnej. Wbrew licznym twierdzeniom przeciwników GMO, kwestia ta jest badana bardzo, bardzo dokładnie od dziesięcioleci. W tym roku w czasopiśmie Krytyczne recenzje w biotechnologii Opublikowano przegląd prawie 1800 prac naukowych dotyczących bezpieczeństwa GMO na przestrzeni ostatnich dziesięciu lat. Tylko trzy badania wzbudziły podejrzenia negatywny wpływ trzech konkretnych odmian GMO, jednak podejrzenia te nie były uzasadnione, w dwóch kolejnych przypadkach stwierdzono potencjalną alergenność odmian GMO. Jedyny potwierdzony przypadek dotyczył genu orzecha brazylijskiego wprowadzonego do odmiany soi GMO. Standardem w takich przypadkach badanie reakcji surowicy krwi osób cierpiących na alergie na białko nowej odmiany GMO wykazało istnienie zagrożenia, a twórcy odmówili wypromowania tej odmiany na rynku.
Ponadto warto osobno wspomnieć o opublikowanej w czasopiśmie recenzji z 2012 roku Toksykologia żywności i chemiczna, które obejmowało 12 badań dotyczących bezpieczeństwa spożycia GMO w żywności na kilku (od dwóch do pięciu) pokoleń zwierząt oraz kolejnych 12 badań na zwierzętach dotyczących długoterminowego (od trzech miesięcy do dwóch lat) spożycia GMO w żywności. Autorzy przeglądu stwierdzili, że nie ma negatywnych skutków GMO (w porównaniu do niemodernizowanych analogów).
Skandaliczne rewelacje
Ciekawostki pojawiają się wokół niektórych prac, które rzekomo ukazują szkodliwość niektórych odmian roślin GMO. Typowym przykładem, który uwielbiają przytaczać przeciwnicy GMO, jest sensacyjna publikacja francuskiego badacza Séraliniego w czasopiśmie Toksykologia żywności i chemiczna, który twierdził, że kukurydza GMO powoduje raka i zwiększa śmiertelność u szczurów. W środowisku naukowym praca Seraliniego wywołała gorące dyskusje, ale nie dlatego, że badacz uzyskał i opublikował jakieś unikalne dane. Powodem było to, że z naukowego punktu widzenia praca została przeprowadzona wyjątkowo niestarannie i zawierała widoczne na pierwszy rzut oka rażące błędy.
Niemniej jednak zdjęcia Séraliniego przedstawiające szczury z dużymi guzami wywarły na opinii publicznej ogromne wrażenie. Pomimo tego, że jego artykuł nie wytrzymał obiektywnej krytyki i został wycofany z czasopisma, w dalszym ciągu jest on cytowany przez przeciwników GMO, wyraźnie niezainteresowanych naukową stroną zagadnienia, a zdjęcia chorych szczurów wciąż widnieją na portalach ekrany.
Poziom naukowy dyskusji na temat potencjalnych zagrożeń związanych z GMO w mediach i całym społeczeństwie jest uderzająco naiwny. Na półkach sklepowych można znaleźć skrobię, sól, a nawet wodę „bez GMO”. GMO są stale mylone z konserwantami, pestycydami, nawozami syntetycznymi i dodatki do żywności, z którym inżynieria genetyczna nie jest bezpośrednio związana. Takie dyskusje prowadzą od rzeczywistych problemów związanych z bezpieczeństwem żywności do sfery spekulacji i zastępowania pojęć.
Zagrożenia – realne i nie
Jednak ani ten artykuł, ani inne prace naukowe nie mają na celu udowodnienia, że GMO są „całkowicie bezpieczne”. Tak naprawdę żaden produkt spożywczy nie jest całkowicie bezpieczny, ponieważ Paracelsus wypowiedział słynne zdanie: „Wszystko jest trucizną i nic nie jest trujące; Już jedna dawka czyni truciznę niewidzialną.” Nawet zwykłe ziemniaki mogą powodować alergie, a zielone zawierają toksyczne alkaloidy - solaniny.
Czy działanie istniejących genów roślinnych może się w jakiś sposób zmienić w wyniku wstawienia nowego genu? Tak, ale żaden organizm nie jest odporny na zmiany w funkcjonowaniu genów. Czy inżynieria genetyczna może zaowocować nową odmianą roślin, która rozprzestrzeni się poza grunty rolne i w jakiś sposób wpłynie na ekosystem? Teoretycznie jest to możliwe, ale dzieje się to również wszędzie w przyrodzie: pojawiają się nowe gatunki, zmieniają się ekosystemy, jedne gatunki wymierają, inne zajmują ich miejsce. Nie ma jednak powodu sądzić, że inżynieria genetyczna stwarza dodatkowe ryzyko dla środowiska lub zdrowia ludzi i zwierząt. Jednak zagrożenia te są stale rozgłaszane w mediach. Dlaczego?
Rynek GMO jest w dużej mierze zmonopolizowany. Wśród gigantów na pierwszym miejscu znajduje się Monsanto. Oczywiście duzi producenci Nasiona i technologie GMO są zainteresowane zyskiem, mają swoje interesy i własne lobby. Ale nie zarabiają pieniędzy z powietrza, ale oferując ludzkości zaawansowane technologie rolnicze, na które producenci głosują w najbardziej przekonujący sposób – w dolarach, peso, juanach itp.
Głównymi producentami i dostawcami produktów „ekologicznych” uprawianych w przestarzałych technologiach, a przez to droższych (ale nie wyższej jakości) nie są także drobni rolnicy, ale duże firmy z wielomiliardowymi obrotami. W samych Stanach Zjednoczonych rynek produktów ekologicznych wyniósł w 2012 roku 31 miliardów dolarów. To poważny biznes, a ponieważ produkty organiczne nie mają żadnej przewagi nad GMO, ale są droższe w produkcji, nie mogą konkurować z odmianami GMO przy użyciu metody rynkowe. Zatem za pośrednictwem mediów musimy zaszczepić naiwnym konsumentom bezpodstawną obawę przed mitycznymi „genami skorpiona”, co stwarza popyt na drogie i zaawansowane technologicznie „produkty organiczne”. Ponadto przeciwnicy GMO opisują straszne niebezpieczeństwa, jakie niosą ze sobą odmiany genetycznie modyfikowane, które produkują białko B. thuringiensis, zazwyczaj zapominają wspomnieć, że preparaty na bazie takich upraw lub wyizolowanych z nich białek są dozwolone (i powszechnie stosowane) w „rolnictwie ekologicznym”. A także naturalny obornik, który może być źródłem gromady bakterii chorobotwórczych i innych naturalnych paskudztw.
Trochę polityki
Obecnie inżynieria genetyczna jest jedną z najczęściej badanych technologii z punktu widzenia bezpieczeństwa. Pozwala tworzyć produkty spożywcze o wyższej jakości, ograniczać ilość pestycydów stosowanych na polach i chronić środowisko (tak, chronić: na polach obsianych odmianami Bt żyje więcej owadów i ptaków niż na „zwykłych”, które trzeba regularnie podlewać) traktowane środkami owadobójczymi).
Ale jest inny powód „walki” z GMO – czysto polityczny. Kraje znacznie opóźnione w dziedzinie biotechnologii próbują znaleźć powód, aby zapobiec wejściu na ich rynek tańszych produktów z innych krajów. Jednak taka ochrona krajowych producentów przed produktami zagranicznymi ma sens tylko wtedy, gdy pozwala zyskać czas na rozwój własnych technologii do stanu konkurencyjnego. Jeżeli tak się nie stanie, istnieje poważne ryzyko pozostania w tyle za światowym poziomem naukowym i technologicznym. Na zawsze.
BIBLIOTEKA NAUKOWA - STRESZCZENIA - Modyfikacja genów
Modyfikacja genu
Genetycy i hodowcy omawiają najbardziej złożone problemy hodowli roślin i zwierząt, zastosowania technologii genetycznych w medycynie oraz bezpieczeństwa produktów genetycznie modyfikowanych.
1. Inżynieria genetyczna
Inżynieria genetyczna to dziedzina genetyki molekularnej związana z ukierunkowanym tworzeniem nowych kombinacji materiału genetycznego. Podstawą stosowanej inżynierii genetycznej jest teoria genów. Powstały materiał genetyczny ma zdolność namnażania się w komórce gospodarza i syntezy końcowych produktów przemiany materii.
Inżynieria genetyczna powstała w 1972 roku na Uniwersytecie Stanforda w USA. Następnie w laboratorium P. Berga uzyskano pierwszy rekombinowany (hybrydowy) DNA, czyli (recDNA). Połączył fragmenty DNA faga lambda, Escherichia coli i małpiego wirusa SV40.
Struktura rekombinowanego DNA. Hybrydowe DNA ma kształt pierścienia. Zawiera gen (lub geny) i wektor. Wektor to fragment DNA, który zapewnia reprodukcję hybrydowego DNA i syntezę końcowych produktów układu genetycznego - białek. Większość wektorów pochodzi z faga lambda, plazmidów, wirusów SV40, polioma, drożdży i innych bakterii.
Synteza białek zachodzi w komórce gospodarza. Najczęściej stosowaną komórką gospodarza jest Escherichia coli, ale inne bakterie, drożdże, zwierzęta lub komórki roślinne. Układ wektor-gospodarz nie może być dowolny: wektor jest dostosowany do komórki gospodarza. Wybór wektora zależy od specyfiki gatunku i celów badań.
Kluczem do budowy hybrydowego DNA są dwa enzymy. Pierwszy – enzym restrykcyjny – tnie cząsteczkę DNA na fragmenty w ściśle określonych miejscach. A druga – ligazy DNA – łączą fragmenty DNA w jedną całość. Dopiero po wyizolowaniu takich enzymów tworzenie sztucznych struktur genetycznych stało się technicznie wykonalnym zadaniem.
Etapy syntezy genów. Geny przeznaczone do klonowania można uzyskać we fragmentach poprzez trawienie mechaniczne lub enzymami restrykcyjnymi całkowitego DNA. Ale geny strukturalne z reguły muszą być albo syntetyzowane chemicznie i biologicznie, albo uzyskane w postaci kopii DNA informacyjnego RNA odpowiadającego wybranemu genowi. Geny strukturalne zawierają jedynie zakodowany zapis produktu końcowego (białko, RNA) i są całkowicie pozbawione regionów regulatorowych. Dlatego te geny nie są w stanie funkcjonować w komórce gospodarza.
Po uzyskaniu recDNA najczęściej tworzy się kilka struktur, z których konieczna jest tylko jedna. Dlatego obowiązkowym etapem jest selekcja i klonowanie molekularne recDNA wprowadzonego poprzez transformację do komórki gospodarza.
Istnieją 3 sposoby selekcji recDNA: genetyczna, immunochemiczna i hybrydyzacja ze znakowanym DNA i RNA.
W wyniku intensywnego rozwoju metod inżynierii genetycznej uzyskano klony wielu genów: rybosomalnego, transportowego i 5S RNA, histonów, myszy, królika, globiny ludzkiej, kolagenu, albuminy jaja kurzego, insuliny ludzkiej i innych hormonów peptydowych, interferonu ludzkiego, itp. Umożliwiło to stworzenie szczepów bakterii wytwarzających wiele substancji biologicznie czynnych stosowanych w medycynie, rolnictwie i przemyśle mikrobiologicznym.
W oparciu o inżynierię genetyczną powstała gałąź przemysłu farmaceutycznego zwana „przemysłem DNA”. To jedna z nowoczesnych gałęzi biotechnologii.
Nie ma wątpliwości, że poszukiwania genetyków obiecują ulgę w wielu dolegliwościach. Inżynieria genetyczna zaczyna być już aktywnie wykorzystywana w onkologii, tworząc leki specjalnie ukierunkowane na konkretny nowotwór. Naukowcom udało się zidentyfikować geny predysponujące do rozwoju cukrzycy, co oznacza, że otworzyły się nowe perspektywy w leczeniu tej poważnej choroby. Insulina ludzka (humulina), otrzymana przy użyciu recDNA, została dopuszczona do stosowania terapeutycznego. Dodatkowo, w oparciu o uzyskane w trakcie badań liczne mutanty poszczególnych genów, stworzono wysoce efektywne systemy testowe umożliwiające identyfikację aktywności genetycznej czynników środowiskowych, w tym identyfikację związków rakotwórczych.
Inżynieria genetyczna w krótkim czasie wywarła ogromny wpływ na rozwój metod genetyki molekularnej i umożliwiła znaczny postęp na drodze wiedzy o budowie i funkcjonowaniu aparatu genetycznego. Inżynieria genetyczna jest bardzo obiecująca w leczeniu chorób dziedzicznych, których obecnie zarejestrowano około 2000. Inżynieria genetyczna ma na celu pomóc skorygować błędy natury.
Z drugiej strony technologie genetyczne zrodziły zupełnie nowe problemy związane z możliwością klonowania istot żywych, w tym człowieka. Światowa społeczność naukowa uznaje, że klonowanie identycznego człowieka jest technicznie możliwe. Otwarte pozostaje jednak pytanie, czy ludzkość potrzebuje takich prób. Udowodniono, że w 99 procentach przypadków istnieje ryzyko wystąpienia wad wrodzonych – co oznacza, że takie eksperymenty na ludziach są niedopuszczalne.
Jednakże pewną rolę odgrywają nowe technologie genetyczne oparte na transgenezie i klonowaniu Istotną rolę w tworzeniu wysoce produktywnych odmian roślin i ras zwierząt. Jednocześnie na pierwszy plan wysuwają się problemy zarówno bezpieczeństwa genetycznego, jak i moralno-prawnego.
W Rosji wszelkie badania nad klonowaniem przeprowadza się wyłącznie na zwierzętach. Na całym świecie – także w Rosji – toczą się zacięte dyskusje wokół innego wytworu współczesnej nauki: żywności genetycznie modyfikowanej.
2. Czy modyfikacja genetyczna jest bezpieczna?
Twórcy produktów genetycznie modyfikowanych twierdzą, że są one całkowicie bezpieczne. Zwolennicy ich powszechnego stosowania są przekonani, że wieloletnie badania udowodniły nieszkodliwość takich produktów. Przeciwnicy są przekonani, że jest odwrotnie.
Nie udowodniono dotychczas, że produkty te są bezpieczne dla człowieka. Wiele rodzajów produktów modyfikowanych genetycznie jest zabronionych do stosowania w końcowych etapach eksperymentu jako silne alergeny.
Czy mają rację sceptycy twierdzący, że żywność transgeniczna jest niebezpieczna? A może staną się naszym pożywieniem w XXI wieku?
Około 30 lat temu przeprowadzono pierwsze eksperymenty z modyfikacją genetyczną roślin. Na przykład możesz pobrać jeden gen od jednego zwierzęcia lub rośliny i wstawić go do innego zwierzęcia lub rośliny. W ten sposób można na przykład uzyskać ziemniaki odporne na pestycydy.
Genetycznie modyfikowana żywność nie tylko jest wytwarzana, ale także aktywnie konsumowana.
W hodowli tradycyjnej krzyżowanie następuje w obrębie jednego gatunku. Nawet pomidor został ulepszony poprzez selektywną hodowlę. Ale podczas selekcji następuje wymiana między osobnikami tego samego gatunku. Inżynieria genetyczna umożliwia tworzenie nowego DNA i manipulowanie nim. Na przykład, jeśli gen świetlika zostanie wprowadzony do DNA tytoniu, kwiat tytoniu zacznie świecić, jeśli będzie potrzebował podlewania. Nie można tego osiągnąć metodami selekcji!
Protestujący największą uwagę zwracają na negatywne procesy tej techniki. Ale nikt nie twierdzi, że produkty modyfikowane genetycznie wymagają badań!
Obrońcy przemysłu biotechnologicznego argumentują, że wszystkie procesy z udziałem produktów genetycznie modyfikowanych są ściśle kontrolowane.
Przeprowadza się analizę roślin zwyczajnych i transgenicznych. Naukowcy muszą udowodnić inspektorom, że produkty spożywcze nie różnią się jakością.
Testowanie produktu przebiega w następujących etapach:
1. Porównanie budowy i składu chemicznego roślin zwyczajnych i transgenicznych.
2. Wymagany jest dowód, że spożycie nowego produktu nie szkodzi zdrowiu człowieka.
W ostatnich latach do naszej żywności dołączono transgeniczną soję (odporną na herbicydy).
Czy nowe białko jest toksyczne? Białko badano pod kątem toksyczności przez kilka lat. Myszy karmiono dawkami 1000 razy większymi niż dawki spożywane przez ludzi. Naukowcy twierdzą, że nie zidentyfikowano nic szkodliwego dla organizmu ludzkiego.
Jak trawione są nowe białka? Białka wytworzone sztucznie zanurza się w roztworze o podłożu podobnym składem do jelit. Im szybciej produkt zostanie strawiony, tym lepiej.
Eksperymenty wykazały, że nowe białko nie jest alergenem. Istnieją inne sposoby testowania utworzonego białka. Jeśli nie przejdzie testu, zostaje zniszczony. Jednak transgeniczne białko sojowe pomyślnie przeszło test! Przeprowadzono 1800 testów, które wykazały, że z soją nie dzieje się nic złego.
System testowy działa. Naukowcy twierdzą, że wystarczy postępować zgodnie z metodologią.
Jednak sceptycy uważają, że nauka wciąż wie zbyt mało, aby powiedzieć, że „wszystko jest pod kontrolą”. Organizmy żywe są tak złożone, że prawie niemożliwe jest przewidzenie ich zachowania.
Jednak tradycyjne metody hodowli nie zawsze są bezpieczne. Przeciwnie, w inżynierii genetycznej dokładnie znane są ścieżki wprowadzenia genu. Ponownie sceptycy są przekonani, że zastosowanie nowych metod inżynierii genetycznej wiąże się z ryzykiem spowodowania nieodwracalnych szkód w przyrodzie. Ich przeciwnicy twierdzą, że selekcja jest również niebezpieczna, ponieważ zajmuje się nie jednym, ale kilkoma genami! Dlatego wynik selekcji jest jeszcze bardziej nieprzewidywalny!
Najgorsze jest to, że około 30 lat temu eksperymentowano z genami, nie rozumiejąc, co robią!
Sprzeciw wobec żywności modyfikowanej genetycznie jest w Europie silniejszy niż gdziekolwiek indziej na świecie. W ostatnim czasie wprowadzenie produktów transgenicznych było bardzo trudne: w Anglii wprowadzono około 2000 takich produktów, a obecnie zostało ich już niecałe 100!
3. Przykłady modyfikacji genetycznych
Organizacje publiczne w Europie wzywają do niszczenia roślin transgenicznych. Dziwne rośliny powstają poprzez wszczepienie im genów zwierzęcych. Ekolodzy sprzeciwiają się tym technologiom, a społeczeństwo jest aroganckie i pogardliwe w stosunku do produktów modyfikowanych genetycznie.
3.1 Powiększanie kolb kukurydzy
Meksyk ma słabe gleby, a zatem bardzo słabe plony kukurydzy. Naukowcy otrzymali zadanie zwiększenia rozmiaru kolby kukurydzy. W wyniku badań do kukurydzy wszczepiono gen neutralizujący sole glinu i rozpuszczający fosforany, co umożliwiło roślinie pełny rozwój na zaproponowanych glebach.
Zbiory zapowiadały się 2 razy większe, ale rząd pod naciskiem organizacji ekologicznych zakazał tych badań. Ekolodzy ignorują wyniki eksperymentu. Przeciwnicy inżynierii genetycznej uważają, że takie eksperymenty są szkodliwe dla środowiska, niebezpieczne dla zdrowia i ostatecznie prowadzą do katastrofy ekologicznej. Przecież nikt nie może zagwarantować, że te metody nie doprowadzą do pojawienia się nowych owadów i chwastów!
3.2 Ochrona bawełny
Uniwersytet Arizony. Naukowcy pracują nad zwiększeniem plonów bawełny. Roślina cierpi na inwazję bukszpanu różowego. Jeśli populacja szkodników jest duża, plony bawełny gwałtownie spadają!
Konieczne jest wprowadzenie do rośliny bawełny genu, który zabije robaka. Od 40 lat rośliny opryskuje się środkami chemicznymi, które zabijają owady. Cierpieli zarówno ludzie, jak i zwierzęta. Próbowali wszczepić gen bakteryjny do bawełny. W liściach rośliny pojawiło się białko, które jest trujące dla robaka. Tym samym nie ma potrzeby zabezpieczania rośliny środkami chemicznymi!
W rezultacie uzyskano setki hektarów trujących roślin, które same chronią się przed szkodliwymi owadami. Jeszcze raz, czas upłynie, a szkodniki przyzwyczają się do tego i rozwiną odporność!
Ale nie tylko chrząszcze – szkodniki budzą niepokój! Ekolodzy obawiają się, że pojawią się chwasty szczególnie odporne, a to oznacza, że przed chwastami odpornymi na środki chemiczne nie będzie ucieczki. Przecież pszczoły potrafią rozsiewać pyłek na kilka kilometrów, a rośliny te zapełnią cały obszar. Istnieją jednak dowody na to, że w odległości 15 m zapylanie już nie występuje. Ale nawet jeśli pyłek zmodyfikowanej rośliny pokonuje taką odległość, musi krzyżować się ze swoim gatunkiem. Superprzeżywalność nie jest tak łatwa do utrzymania...
3.3 Ryż z witaminą „A”
Azja. 100 milionów dzieci nie otrzymuje witaminy A, która jest niezbędna do prawidłowego widzenia. Faktem jest, że głównym pożywieniem najbiedniejszych grup ludności jest ryż. Dzieci tracą wzrok z powodu braku witaminy A!
Szlachetnym zadaniem jest natychmiastowa uprawa ryżu z witaminą „A” i obsianie nim pól w krajach zacofanych. Jak to jest możliwe? Narcyz to trująca roślina. Trzeba pobrać z niego 2 geny i wprowadzić do ryżu, który w tym przypadku będzie zawierał witaminę „A”!
4. Okropności modyfikacji genetycznych
Gen ludzkiej wątroby dodany do ryżu! Naukowcy zaczęli dodawać ludzkie geny do ryżu, próbując przenieść genetycznie modyfikowaną żywność na wyższy poziom.
Naukowcy wprowadzili do ryżu gen pochodzący z ludzkiej wątroby, który wytwarza enzym pomagający rozkładać szkodliwe substancje pierwiastki chemiczne w ludzkim ciele. Mają nadzieję, że enzym – CYP2B6 – po zmieszaniu z ryżem zrobi to samo w przypadku herbicydów i substancji zanieczyszczających.
Jednak przeciwnicy żywności modyfikowanej genetycznie twierdzą, że wykorzystanie ludzkich genów zniechęci konsumentów zniesmaczonych ideą kanibalizmu i przejmowaniem przez naukowców funkcji Boga. Sue Mayer z brytyjskiej organizacji GeneWatch mówi: „Nie sądzę, że ktokolwiek będzie chciał kupić ten ryż”. „Ludzie wyrazili już swoje wstręt do wykorzystywania ludzkich genów i niepokój w związku z poczuciem, że przemysł biotechnologiczny ich nie słucha. To jeszcze bardziej zachwiało ich pewnością siebie”.
Zazwyczaj przy genetycznie modyfikowanych uprawach wykorzystuje się geny uzyskane z bakterii. Są odporne tylko na jeden rodzaj herbicydu, co oznacza, że rolnicy mogą traktować swoje pola tak często, jak chcą, aby zwalczać szkodniki, ale tylko jednym rodzajem środka chemicznego. Celem dodania ludzkiego genu do ryżu jest stworzenie rośliny odpornej na kilka rodzajów herbicydów.
Naukowcy z Narodowego Instytutu Nauk Rolniczych w Tsukuba w Japonii odkryli, że nowy rodzaj ryżu może być odporny na 14 różnych rodzajów herbicydów. Profesor Richard Meylan, który podobne badania przeprowadził w Instytucie Purdue w stanie Indiana, twierdzi, że taki ryż można uprawiać w glebie nasyconej zanieczyszczeniami przemysłowymi. W swoich badaniach wykorzystywał geny królika, ale twierdzi, że nie widzi powodu, dla którego nie należałoby wykorzystać genów ludzkich. Mówi, że mówienie o „żywności Frankensteina” to nonsens i dodaje: „Nie sądzę, aby względy etyczne miały cokolwiek wspólnego z wykorzystaniem ludzkich genów w inżynierii genetycznej do uprawy żywności”.
Produkcja ryżu spada na całym świecie i trwa wyścig w poszukiwaniu sposobów na zwiększenie plonów ryżu, a także nowych odmian ryżu, które będą odporne na wirusy, o niskiej zawartości alergenów i białka.
Instytut Naukowy w środowisku przeciwników modyfikacji genetycznych twierdzi jednak, że enzym CYP2B6 może oddziaływać na człowieka, prowadząc do powstania nowych wirusów czy typów nowotworów.
Dodają: „Zwolennicy modyfikacji genetycznych i kraje będące głównymi producentami ryżu prowadzą badania nad ryżem zmodyfikowanym genetycznie i go promują, nie zważając na bezpieczeństwo ani perspektywy długoterminowe”.
Wniosek
Sceptycy nie są pewni, jakie rozwiązanie przyniesie technologia genetyczna problemy społeczne. Marzenia o równej dystrybucji żywności na całym świecie są utopią.
Sprzeciw wobec żywności modyfikowanej genetycznie jest w Europie silniejszy niż gdziekolwiek indziej na świecie. Twórcy produktów genetycznie modyfikowanych twierdzą, że są one całkowicie bezpieczne. Z kolei przeciwnicy modyfikacji genetycznych uważają ją za „puszkę Pandory” o nieprzewidywalnych konsekwencjach.
Jest oczywiste, że w nadchodzących dziesięcioleciach genetyka w dalszym ciągu będzie sprawiać ludzkości wiele niespodzianek, budzić wiele sensacji – wyimaginowanych i rzeczywistych, a wokół niej będą szalały kontrowersje, a nawet skandale. Społeczeństwo z łatwością słyszy ludzi, którzy boją się wszystkiego, co nowe, ale zagrożenie ze strony telefonów komórkowych jest nie mniejsze!
Najważniejsze, że całe to zamieszanie nie zakłóca zbytnio poważnej pracy naukowców w jednej z najciekawszych i najbardziej obiecujących dziedzin naukowych.
Słownik terminologiczny
Inżynieria genetyczna- praktyka celowej zmiany programów genetycznych komórek rozrodczych w celu nadania nowych właściwości pierwotnym formom organizmów lub stworzenia zasadniczo nowych form organizmów. Główna metoda inżynierii genetycznej polega na ekstrakcji genu lub grupy genów z komórek organizmu, połączeniu ich z określonymi cząsteczkami kwasu nukleinowego i wprowadzeniu powstałych cząsteczek hybrydowych do komórek innego organizmu.
Ochrona biologiczna- w inżynierii genetycznej - tworzenie i wykorzystanie bezpiecznej dla człowieka i obiektów środowiska kombinacji materiału biologicznego, której właściwości wykluczają niepożądane przetrwanie organizmów genetycznie zmodyfikowanych w środowisku i/lub przekazanie do nich informacji genetycznej
Biotechnologia- w szerokim znaczeniu - pogranicze biologii i technologii dyscyplina naukowa oraz dziedzina praktyki badająca sposoby i metody zmian otaczająca osobęśrodowisko naturalne zgodnie z jego potrzebami.
Biotechnologia- w wąskim znaczeniu - zespół metod i technik otrzymywania produktów i zjawisk przydatnych dla człowieka za pomocą czynników biologicznych. Biotechnologia obejmuje inżynierię genetyczną, komórkową i środowiskową
Uwolnienie organizmów genetycznie zmodyfikowanych do środowiska- działanie lub zaniechanie, które spowodowało wprowadzenie do środowiska organizmów genetycznie zmodyfikowanych.
Działalność inżynierii genetycznej- działalność prowadzona z wykorzystaniem metod inżynierii genetycznej i organizmów genetycznie zmodyfikowanych.
Genetycznie zmodyfikowany organizm- organizm lub kilka organizmów, każda formacja bezkomórkowa, jednokomórkowa lub wielokomórkowa: - zdolna do rozmnażania lub przekazywania dziedzicznego materiału genetycznego; - różni się od organizmów naturalnych; - uzyskane metodami inżynierii genetycznej; oraz - zawierające materiał genetycznie zmodyfikowany.
Diagnostyka genowa- w inżynierii genetycznej - zespół metod identyfikacji zmian w strukturze genomu.
Zamknięty system- w inżynierii genetycznej- system działań inżynierii genetycznej, w którym modyfikacje genetyczne są wprowadzane do organizmu lub organizmów genetycznie zmodyfikowanych, przetwarzane, hodowane, przechowywane, wykorzystywane, transportowane, niszczone lub zakopywane w warunkach istnienia barier fizycznych, chemicznych i biologicznych lub ich kombinacji, zapobieganie kontaktowi organizmów genetycznie zmodyfikowanych z populacją i środowiskiem.
Otwarty system- w inżynierii genetycznej- system prowadzenia działalności związanej z inżynierią genetyczną, polegającą na kontakcie organizmów genetycznie zmodyfikowanych z populacją i środowiskiem podczas ich zamierzonego uwalniania do środowiska, wykorzystania do celów medycznych, podczas eksportu i importu, podczas transferu technologii.
Organizmy transgeniczne- zwierzęta, rośliny, mikroorganizmy, wirusy, których program genetyczny został zmieniony metodami inżynierii genetycznej.
Ochrona fizyczna- w inżynierii genetycznej- tworzenie i stosowanie specjalnych środków technicznych i technik zapobiegających uwalnianiu organizmów genetycznie zmodyfikowanych do środowiska i/lub przekazywaniu do nich informacji genetycznej.
Literatura
1. Maniatis T., Metody inżynierii genetycznej, M., 1984;
2. Inżynieria genetyczna Źródło #"#">#"#">Rubricon
Organizm zmodyfikowany genetycznie – organizm lub kilka organizmów, każda formacja niekomórkowa, jednokomórkowa lub wielokomórkowa: - zdolna do reprodukcji lub przekazywania dziedzicznego materiału genetycznego; - różni się od organizmów naturalnych; - uzyskane metodami inżynierii genetycznej; oraz - zawierające materiał genetycznie zmodyfikowany.
Fagi to to samo co bakteriofagi. ...fag (od greckiego Phagos - zjadacz) to część złożonych słów odpowiadających znaczeniu słowom „jedzenie”, „wchłanianie” (na przykład bakteriofag).
Biotechnologia to zespół metod i technik otrzymywania produktów i zjawisk przydatnych dla człowieka za pomocą czynników biologicznych. Biotechnologia obejmuje inżynierię genetyczną, komórkową i środowiskową.
Genetycy opracowali soję, która zapobiega wypadaniu włosów. W Japonii opracowano genetycznie zmodyfikowaną odmianę soi, która stymuluje porost włosów i zapobiega wypadaniu włosów w wyniku chemioterapii. Jeśli bezpieczeństwo nowego produktu zostanie potwierdzone, to aby uchronić się przed łysieniem, wystarczy okresowe spożywanie tej fasoli – powiedział w środę kierownik grupy badawczej Uniwersytetu w Kioto, profesor Massaki Yoshikawa. Cudowną właściwość uprawy zbóż nadał genetycznie wprowadzony składnik (nowokinina), który ma działanie przeciwnadciśnieniowe. Został on uzyskany na podstawie składu aminokwasowego białka jaja kurzego. Według naukowców składnik ten wspomaga wzrost włosów poprzez rozszerzenie naczyń krwionośnych i normalizację krążenia krwi. Skuteczność fasoli potwierdzono w eksperymentach na myszach, które ogolono, a następnie karmiono zmodyfikowaną fasolą w dawce jednej tysięcznej miligrama substancji przeciwnadciśnieniowej na gram masy ciała. Donoszono, że odbudowa sierści przebiegała w przyspieszonym tempie, a po zwiększeniu dawki myszy przestały wypadać sierść, nawet w wyniku chemioterapii. Eksperci twierdzą, że ich fasola może być również stosowana jako zwykły lek na wysokie ciśnienie krwi. 13 kwietnia 2005
Modyfikacja genetyczna ( GM) - zmiana genomu organizmu żywego z wykorzystaniem technologii inżynierii genetycznej, poprzez wprowadzenie jednego lub większej liczby genów pobranych od jednego organizmu dawcy do drugiego. Po takim wprowadzeniu (przeniesieniu) powstała roślina będzie nazywana genetycznie modyfikowaną, czyli transgeniczną. W przeciwieństwie do tradycyjnej hodowli, pierwotny genom rośliny prawie nie ulega zmianie, a roślina otrzymuje nowe cechy, których sama wcześniej nie posiadała. Do takich cech (charakterystyki, właściwości) zalicza się: odporność na różne czynnikiśrodowiska (na mróz, suszę, wilgoć itp.) na choroby, na szkodniki owadzie, lepsze właściwości wzrostu, odporność na herbicydy, pestycydy. Wreszcie naukowcy mogą zmieniać właściwości odżywcze roślin: smak, aromat, kaloryczność, czas przechowywania. Za pomocą Inżynieria genetyczna Plony można zwiększyć, co jest bardzo ważne, biorąc pod uwagę, że liczba ludności na świecie rośnie z roku na rok i rośnie liczba głodujących w krajach rozwijających się.
W przypadku tradycyjnej hodowli nową odmianę można uzyskać tylko w obrębie jednego gatunku. Na przykład, można wyhodować zupełnie nową odmianę ryżu, krzyżując ze sobą różne odmiany ryżu. W ten sposób powstaje kombinacja hybrydowa, z której hodowca wybiera następnie tylko te formy, które go interesują.
Ponieważ hybrydyzacja zachodzi pomiędzy poszczególnymi roślinami, prawie niemożliwe jest wyhodowanie odmiany, która miałaby interesujące nas cechy, które zostaną odziedziczone przez kolejne pokolenia. Rozwiązanie takiego problemu wymaga sporo czasu. Jeśli konieczne jest wyhodowanie nowej odmiany pszenicy i nabycie przez nią pewnych cech ryżu, wówczas tradycyjna selekcja jest bezsilna. Przyszedł na ratunek, gdy zostanie użyty, możliwe będzie przeniesienie pewnych cech (właściwości) na roślinę doświadczalną, a wszystko to zostanie przeprowadzone na poziomie DNA, indywidualne geny. W podobny sposób można na przykład przewieźć pszenicę gen mrozoodporność.
Metoda modyfikacji genetycznej pozwala, przynajmniej teoretycznie, na wyizolowanie poszczególnych genów odpowiedzialnych za określone właściwości organizmów żywych i wszczepienie ich na zupełnie inne organizmy, znacznie skracając w ten sposób czas powstania nowego gatunku. Dlatego wielu hodowców i naukowców na całym świecie korzysta z tej technologii przy opracowywaniu nowych odmian. Obecnie opracowano już komercyjne odmiany roślin rolniczych, które są odporne na pestycydy (herbicydy), szkodniki owadzie i choroby. Uzyskano także odmiany o poprawionym smaku i odporności na suszę i mróz.
Polimeryzm to interakcja wielu nieallelicznych genów, które jednokierunkowo wpływają na rozwój tej samej cechy; Stopień manifestacji cechy zależy od liczby genów. Geny polimerów są oznaczone tymi samymi literami, a allele tego samego locus mają ten sam indeks dolny.
Polimeryczne oddziaływanie genów nieallelicznych może być kumulacyjne i niekumulacyjne. W przypadku polimeryzacji skumulowanej (akumulacyjnej) stopień manifestacji cechy zależy od całkowitego działania kilku genów. Im bardziej dominujące allele genu, tym wyraźniejsza jest dana cecha. Podział w F2 zgodnie z fenotypem podczas krzyżowania dihybrydowego zachodzi w stosunku 1: 4: 6: 4: 1 i ogólnie odpowiada trzeciemu, piątemu (przy krzyżowaniu dihybrydowym), siódmemu (przy skrzyżowaniu trihybrydowym) itp. linie w trójkącie Pascala.
W przypadku polimeryzacji niekumulacyjnej cecha objawia się obecnością co najmniej jednego z dominujących alleli genów polimeru. Liczba alleli dominujących nie wpływa na stopień ekspresji cechy. Segregacja w F2 według fenotypu podczas krzyżowania dihybrydowego wynosi 15:1.
Przykładem polimeryzacji jest dziedziczenie koloru skóry u człowieka, które zależy (w pierwszym przybliżeniu) od czterech genów o skumulowanym działaniu.
Gen modyfikujący
Gen, który nie ma własnej ekspresji w fenotypie, ale ma wpływ wzmacniający lub osłabiający ekspresję innych genów (odpowiednio genu intensyfikującego
20. Teoria chromosomu i historia jego powstania.
21. Mechanizmy dziedziczenia płciowego. Wpływ wewnętrznych i zewnętrznych czynników środowiska na kształtowanie się cech płciowych.
22. Dziedziczenie cech sprzężonych z płcią.
Wszystkie organizmy biseksualne mają dwa typy chromosomów. Pierwszy typ to autosomy (chromosomy inne niż płciowe). Są takie same w organizmach żeńskich i męskich. Drugi typ to chromosomy płci, według których istnieją różnice między organizmami ze względu na płeć: kobiety mają 2 identyczne chromosomy XX, mężczyźni mają XY. Ten typ seksu nazywa się homogametycznym. Charakterystyka ssaków, ryb, owadów. Drugi typ płci to heterogametyczna, kobiety XY, mężczyźni XX. Chromosomy płciowe różnią się wielkością. U większości organizmów chromosom X zawiera wiele genów, podczas gdy chromosom Y zawiera pojedyncze geny. Tylko u ryb chromosom Y jest stosunkowo bogatszy w geny. Jeśli geny są zlokalizowane na chromosomie X, a chromosom Y jest genetycznie internowany, wówczas ten typ dziedziczenia cech nazywa się dziedziczeniem sprzężonym z płcią. Jeśli geny są obecne tylko na jednym chromosomie, a drugi jest genetycznie internowany, wówczas takie organizmy nazywane są genizygotycznymi.
23. Dziedziczenie łańcuchowe i przekraczanie
Ponieważ większość organizmów ma wiele (kilka tysięcy) genów i ograniczoną liczbę chromosomów, na jednym chromosomie znajduje się jednocześnie kilka genów. Geny będące częścią jednego chromosomu nazywane są połączonymi i tworzą grupę łączącą. Są dziedziczone jako jedna całość, ponieważ zależy to od zachowania chromosomu w mejozie. W tym przypadku segregacja według powiązanych cech nie podlega prawu niezależnego dziedziczenia. Jeśli geny są zlokalizowane blisko siebie, wówczas zawsze zostają zachowane w oryginalnych kombinacjach.
Na przykład AB/ab x ab/ab -> 1 Ab/ab: 1 ab/ab.
Jest to przypadek tzw. pełnego sprzężenia, który jest rzadko obserwowany. Znacznie częściej zdarzają się sytuacje, w których geny znajdują się w pewnej odległości od siebie. W przypadku częściowego połączenia mogą one zostać rozdzielone w procesie zwanym krzyżowaniem. Jest to inny rodzaj rekombinacji genetycznej. Crossing over zachodzi w profazie pierwszego podziału mejotycznego w momencie koniugacji chromosomu. W tym czasie chromatydy homologicznych chromosomów wymieniają fragmenty materiału dziedzicznego, w wyniku czego pojawiają się nowe kombinacje genów.
Na przykład AB/ab x ab/ab → AB/ab: ab/ab: Ab/ab: aB
Liczba klas rekombinowanych (lub krzyżujących się) jest zawsze mniejsza niż klas nierekombinowanych, a stosunek dwóch klas w każdej grupie wynosi zawsze 1:1. Wartość crossover, liczona jako odsetek rekombinantów w stosunku do całkowitej liczby potomstwa, jest wskaźnikiem odległości między genami i służy do mapowania chromosomów – lokalizacji genów na mapie chromosomów w ściśle określonej kolejności i w ustalonych odległościach. Odległości te mają właściwość addytywności, która jest następująca. Jeśli istnieją trzy geny ułożone w kolejności A-B-C, wówczas AC = AB + BC. Addytywność ta wyraźnie wskazuje na liniowość rozmieszczenia genów na chromosomach.
Jeśli weźmiemy pod uwagę krzyżowanie dużej liczby genów, wyłania się znacznie bardziej złożony obraz - poszczególne akty krzyżowania oddziałują na siebie. To wzajemne oddziaływanie aktów przejścia nazywa się interferencją.
