Genetické inženýrství

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 5. února 2021; kontroly vyžadují 13 úprav .

Genetické inženýrství (neboli genetické inženýrství ) je soubor technik, metod a technologií pro získávání rekombinantní RNA a DNA , izolaci genů z organismu (buněk), manipulaci s geny , jejich zavádění do jiných organismů a pěstování umělých organismů po odstranění vybraných genů z DNA. [1] . Genetické inženýrství není věda v nejširším slova smyslu, ale je nástrojem biotechnologie , využívající metody biologických věd, jako je molekulární a buněčná biologie , genetika , mikrobiologie , virologie .

Hospodářský význam

Genetické inženýrství slouží k získání požadovaných vlastností modifikovaného nebo geneticky modifikovaného organismu . Na rozdíl od tradičního šlechtění , při kterém se genotyp mění pouze nepřímo, umožňuje genetické inženýrství přímo zasahovat do genetického aparátu pomocí techniky molekulárního klonování . Příklady aplikací genetického inženýrství jsou produkce nových geneticky modifikovaných odrůd plodin, produkce lidského inzulínu pomocí geneticky modifikovaných bakterií, produkce erytropoetinu v buněčné kultuře nebo nová plemena experimentálních myší pro vědecký výzkum.

Probíhají první experimenty s využitím bakterií s přeskupenou DNA k léčbě pacientů [2] .

Základem mikrobiologického, biosyntetického průmyslu je bakteriální buňka. Buňky potřebné pro průmyslovou výrobu jsou vybírány podle určitých vlastností, z nichž nejdůležitější je schopnost produkovat, syntetizovat v maximálním možném množství určitou sloučeninu - aminokyselinu nebo antibiotikum, steroidní hormon nebo organickou kyselinu. . Někdy je potřeba mít mikroorganismus, který umí např. ropu nebo odpadní vody využít jako „potravu“ a zpracovat je na biomasu nebo i bílkoviny, které jsou docela vhodné jako přísady do krmiv. Někdy jsou potřeba organismy, které mohou růst při zvýšených teplotách nebo v přítomnosti látek, které jsou nepochybně smrtelné pro jiné typy mikroorganismů.

Úkol získat takové průmyslové kmeny je velmi důležitý, pro jejich modifikaci a selekci byly vyvinuty četné metody aktivního ovlivnění buňky - od ošetření silnými jedy až po radioaktivní ozařování. Účel těchto technik je stejný – dosáhnout změny dědičného, ​​genetického aparátu buňky. Jejich výsledkem je produkce četných mutantních mikrobů, ze stovek a tisíců z nich se pak vědci snaží vybrat ty nejvhodnější pro určitý účel. Vytvoření technik pro chemickou nebo radiační mutagenezi bylo vynikajícím úspěchem v biologii a je široce používáno v moderní biotechnologii .

Ale jejich schopnosti jsou omezeny povahou samotných mikroorganismů. Nejsou schopny syntetizovat řadu cenných látek, které se hromadí v rostlinách, především léčivé a silice. Nedokážou syntetizovat látky velmi důležité pro život zvířat i lidí, řadu enzymů, peptidové hormony, imunitní proteiny, interferony a mnoho dalších jednoduše uspořádaných sloučenin, které se syntetizují u zvířat a lidí. Možnosti mikroorganismů samozřejmě nejsou zdaleka vyčerpány. Z velkého množství mikroorganismů byla vědou a zejména průmyslem využita jen nepatrná část. Pro účely selekce mikroorganismů jsou velmi zajímavé například anaerobní bakterie , které mohou žít v nepřítomnosti kyslíku, fototrofy využívající světelnou energii jako rostliny, chemoautotrofy , termofilní bakterie, které mohou žít při teplotě, jak bylo nedávno objeveno. , asi 110 °C atd.

A přesto jsou omezení „přírodního materiálu“ zřejmá. Omezení se snažili a snaží obejít pomocí buněčných kultur a tkání rostlin a živočichů. Jde o velmi důležitý a perspektivní způsob, který se uplatňuje i v biotechnologiích. Během několika posledních desetiletí vědci vyvinuli metody, kterými lze jednotlivé buňky rostlinné nebo živočišné tkáně přimět k růstu a množení odděleně od těla, jako jsou bakteriální buňky. To byl důležitý úspěch – výsledné buněčné kultury se používají pro experimenty a pro průmyslovou výrobu určitých látek, které nelze získat pomocí bakteriálních kultur.

Další oblastí výzkumu je odstranění genů z DNA nepotřebných pro kódování proteinů a fungování organismů a vytváření umělých organismů na bázi takové DNA s „zkrácenou“ sadou genů. To umožňuje prudce zvýšit odolnost modifikovaných organismů vůči virům [1] .

Historie vývoje a metody

Ve druhé polovině 20. století bylo učiněno několik důležitých objevů a vynálezů, které jsou základem genetického inženýrství . Mnohaleté pokusy „přečíst“ biologickou informaci, která je „zapsána“ v genech, byly úspěšně dokončeny. Tuto práci zahájili anglický vědec Frederick Sanger a americký vědec Walter Gilbert ( 1980 Nobelova cena za chemii ). Jak víte, geny obsahují informace-instrukce pro syntézu molekul RNA a proteinů v těle, včetně enzymů. Abychom buňku donutili syntetizovat nové, pro ni neobvyklé látky, je nutné, aby v ní byly syntetizovány odpovídající sady enzymů. A k tomu je potřeba buď v něm cíleně změnit geny, nebo do něj vnést nové, dříve nepřítomné geny. Změny v genech v živých buňkách jsou mutace. Vznikají pod vlivem například mutagenů – chemických jedů nebo radiace. Ale takové změny nelze kontrolovat ani řídit. Vědci proto soustředili své úsilí na pokusy vyvinout metody pro zavedení nových, velmi specifických genů, které člověk potřebuje, do buňky.

Všechny metody genetického inženýrství se používají k provedení jedné z následujících fází řešení problému genetického inženýrství:

  1. Získání izolovaného genu.
  2. Zavedení genu do vektoru pro přenos do organismu.
  3. Přenos vektoru s genem do modifikovaného organismu.
  4. Transformace tělesných buněk.
  5. Selekce geneticky modifikovaných organismů ( GMO ) a eliminace těch, které nebyly úspěšně modifikovány.

Proces genové syntézy je v současné době velmi dobře rozvinutý a dokonce do značné míry automatizovaný. Existují speciální zařízení vybavená počítači, v jejichž paměti jsou uloženy programy pro syntézu různých nukleotidových sekvencí. Takový přístroj syntetizuje segmenty DNA až do délky 100-120 dusíkatých bází (oligonukleotidů). Rozšířila se technika, která umožňuje použití polymerázové řetězové reakce pro syntézu DNA, včetně mutantní DNA . K templátové syntéze DNA je v něm použit termostabilní enzym DNA polymeráza, která se používá jako zárodek pro uměle syntetizované kousky nukleové kyseliny - oligonukleotidy . Enzym reverzní transkriptázy umožňuje syntetizovat DNA pomocí takových primerů (primerů) na matrici RNA izolované z buněk. DNA syntetizovaná tímto způsobem se nazývá komplementární (RNA) nebo cDNA. Izolovaný, "chemicky čistý" gen lze také získat z fágové knihovny. Toto je název bakteriofágového přípravku , do jehož genomu jsou vloženy náhodné fragmenty z genomu nebo cDNA, reprodukované fágem spolu s celou jeho DNA.

K vložení genu do vektoru se používají enzymy  - restrikční enzymy a ligázy , které jsou také užitečným nástrojem v genetickém inženýrství. Pomocí restrikčních enzymů lze gen a vektor rozřezat na kousky. Pomocí ligáz lze takové kusy „slepit dohromady“, spojit v jiné kombinaci, zkonstruovat nový gen nebo jej uzavřít do vektoru. Za objev restriktáz byli Werner Arber , Daniel Nathans a Hamilton Smith také oceněni Nobelovou cenou (1978).

Technika zavádění genů do bakterií byla vyvinuta poté, co Frederick Griffith objevil fenomén bakteriální transformace . Tento jev je založen na primitivním sexuálním procesu, který je u bakterií doprovázen výměnou malých fragmentů nechromozomální DNA, plazmidů . Plazmidové technologie vytvořily základ pro zavedení umělých genů do bakteriálních buněk.

Značné potíže byly spojeny se zavedením hotového genu do dědičného aparátu rostlinných a živočišných buněk. V přírodě však existují případy, kdy je cizí DNA (viru nebo bakteriofága) zahrnuta do genetického aparátu buňky a pomocí svých metabolických mechanismů začíná syntetizovat „svůj“ protein. Vědci studovali rysy zavádění cizí DNA a používali ji jako princip pro zavádění genetického materiálu do buňky. Tento proces se nazývá transfekce .

Pokud jsou modifikovány jednobuněčné organismy nebo kultury mnohobuněčných buněk, pak v této fázi začíná klonování , to znamená selekce těch organismů a jejich potomků (klonů), které prošly modifikací. Když je stanoven úkol získat mnohobuněčné organismy, buňky se změněným genotypem se použijí k vegetativnímu rozmnožování rostlin nebo se vstříknou do blastocyst náhradní matky, pokud jde o zvířata. V důsledku toho se rodí mláďata se změněným nebo nezměněným genotypem, mezi nimiž jsou vybrána a vzájemně křížena pouze ta, která vykazují očekávané změny.

Aplikace ve vědeckém výzkumu

Genový knockout . Ke studiu funkce konkrétního genu lze použít  genový knockout . Tak se nazývá technika delece jednoho nebo více genů, která umožňuje studovat důsledky takové mutace. Pro knockout je stejný gen nebo jeho fragment syntetizován, modifikován tak, že genový produkt ztrácí svou funkci. Hlavní implementační metody: zinkový prst , morfolino a TALEN [3] . Pro získání knockout myší se výsledný geneticky upravený konstrukt zavede do embryonálních kmenových buněk , kde konstrukt podstoupí somatickou rekombinaci a nahradí normální gen, a změněné buňky se implantují do blastocysty náhradní matky. U octomilky Drosophila iniciuje mutace ve velké populaci, která je následně vyhledávána po potomcích s požadovanou mutací. Rostliny a mikroorganismy se vyřazují podobným způsobem.

Umělý výraz . Logickým přídavkem k knockoutu je umělá exprese, tedy přidání genu do těla, které předtím nemělo. Tato metoda genetického inženýrství může být také použita ke studiu funkce genů. V podstatě je proces zavádění dalších genů stejný jako při knockoutu, ale stávající geny nejsou nahrazeny ani poškozeny.

Vizualizace genových produktů . Používá se, když je úkolem studovat lokalizaci genového produktu. Jedním ze způsobů značení je nahrazení normálního genu fúzí s reportérovým prvkem, například s genem zeleného fluorescenčního proteinu ( GFP ). Tento protein, který fluoreskuje pod modrým světlem, se používá k vizualizaci produktu genetické modifikace. Ačkoli je tato technika pohodlná a užitečná, její vedlejší účinky mohou být částečná nebo úplná ztráta funkce studovaného proteinu. Sofistikovanější, i když ne tak výhodnou metodou je přidání menších oligopeptidů ke studovanému proteinu, které lze detekovat pomocí specifických protilátek.

Výzkum mechanismu exprese . V takových experimentech je úkolem studovat podmínky genové exprese. Rysy exprese závisí primárně na malé části DNA umístěné před kódující oblastí, která se nazývá promotor a slouží k navázání transkripčních faktorů . Toto místo je zavedeno do těla poté, co je nahrazeno reportérovým genem, například GFP nebo enzymem, který katalyzuje snadno detekovatelnou reakci. Kromě toho, že se fungování promotoru v různých tkáních v té či oné době stává jasně viditelným, takové experimenty umožňují studovat strukturu promotoru odstraněním nebo přidáním fragmentů DNA k němu a také uměle zlepšit jeho funkce.

Lidské genetické inženýrství

Při aplikaci na lidi by se genetické inženýrství dalo použít k léčbě dědičných chorob. Technicky je však podstatný rozdíl mezi léčbou samotného pacienta a změnou genomu jeho potomků.

Úkol změnit genom dospělého je poněkud obtížnější než šlechtění nových geneticky upravených plemen zvířat, protože v tomto případě je nutné změnit genom mnoha buněk již vytvořeného organismu, a ne pouze jednoho embryonálního vajíčka. K tomu se navrhuje použít virové částice jako vektor. Virové částice jsou schopny proniknout do významného procenta dospělých buněk a vložit do nich svou dědičnou informaci; možná řízená reprodukce virových částic v těle. Zároveň se vědci pro snížení vedlejších účinků snaží vyhnout zavádění geneticky upravené DNA do buněk pohlavních orgánů, a tím zabránit expozici budoucím potomkům pacienta. Za zmínku také stojí značná mediální kritika této technologie: vývoj geneticky upravených virů je mnohými vnímán jako hrozba pro celé lidstvo.

Pomocí genové terapie je v budoucnu možné změnit lidský genom. V současné době se vyvíjejí a testují účinné metody pro modifikaci lidského genomu na primátech. Genové inženýrství opic se po dlouhou dobu potýkalo s vážnými obtížemi, ale v roce 2009 byly experimenty korunovány úspěchem: v časopise Nature vyšla publikace o úspěšném použití geneticky upravených virových vektorů k vyléčení dospělého opičího samce z barvosleposti [ 4] . V témže roce dal první geneticky modifikovaný primát (vypěstovaný z upraveného vejce) potomky - kosmana obecného ( Callithrix jacchus ) [5] .

I když v malém měřítku, genetické inženýrství se již používá k tomu, aby ženy s některými typy neplodnosti měly šanci otěhotnět [6] . K tomu použijte vajíčka zdravé ženy. Dítě v důsledku toho zdědí genotyp od jednoho otce a dvou matek.

Možnost zavedení výraznějších změn do lidského genomu však naráží na řadu závažných etických problémů [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] . V roce 2016 získala skupina vědců ve Spojených státech souhlas s klinickými zkouškami metody léčby rakoviny pomocí vlastních imunitních buněk pacienta podrobených genové modifikaci pomocí technologie CRISPR / Cas9 [14] .

Na konci roku 2018 se v Číně narodily dvě děti , jejichž genom byl v embryonálním stádiu uměle upraven ( gen CCR5 byl vypnut ) metodou CRISPR/Cas9 v rámci výzkumu prováděného od roku 2016 v boji proti HIV [15]. [16] [17] . Jeden z rodičů (otec) byl nakažen virem HIV a děti se podle prohlášení narodily zdravé [18] . Vzhledem k tomu, že experiment byl nepovolený (předtím byly všechny takové pokusy na lidském embryu povoleny pouze v raných fázích vývoje s následným zničením experimentálního materiálu, tedy bez implantace embrya do dělohy a porodu děti), vědec odpovědný za to neposkytl důkazy pro svá prohlášení, která zazněla na mezinárodní konferenci o úpravách genomu. Na konci ledna 2019 čínské úřady oficiálně potvrdily skutečnosti tohoto experimentu [19] . Mezitím bylo vědci zakázáno věnovat se vědecké činnosti a byl zatčen [20] [21] .

Buněčné inženýrství

Buněčné inženýrství je založeno na kultivaci rostlinných a živočišných buněk a tkání schopných produkovat látky potřebné pro člověka mimo tělo. Tato metoda se používá pro klonální (asexuální) množení cenných rostlinných forem; získat hybridní buňky, které kombinují vlastnosti například krevních lymfocytů a nádorových buněk.

Genetické inženýrství v Rusku

Je třeba poznamenat, že po zavedení státní registrace GMO [22] znatelně vzrostla aktivita některých veřejných organizací a jednotlivých poslanců Státní dumy, kteří se snaží zabránit zavádění inovativních biotechnologií do ruského zemědělství. Více než 350 ruských vědců podepsalo otevřený dopis Společnosti vědců na podporu rozvoje genetického inženýrství v Ruské federaci. Otevřený dopis uvádí, že zákaz GMO v Rusku nejen poškodí zdravou hospodářskou soutěž na zemědělském trhu, ale povede k výraznému zpoždění v oblasti technologií výroby potravin, ke zvýšené závislosti na dovozu potravin a podkope prestiž Ruska. stát, ve kterém byl kurz inovativního rozvoje oficiálně vyhlášen [23][ význam skutečnosti? ] .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ 1 2 Alexander Panchin Beating God // Populární mechanika . - 2017. - č. 3. - S. 32-35. — URL: http://www.popmech.ru/magazine/2017/173-issue/ Archivováno 12. března 2017 na Wayback Machine
  2. ↑ Transformers Michaela Waldholtze archivovány 7. července 2017 na Wayback Machine // In the World of Science . - 2017. - č. 5, 6. - S. 126-135.
  3. ↑ Editace genomu in vivo pomocí vysoce účinného systému TALEN  . příroda . Staženo: 10. ledna 2017.
  4. ↑ Elements - science news: Opice vyléčené z barvosleposti pomocí genové terapie (18. září 2009). Získáno 10. ledna 2017. Archivováno z originálu 25. dubna 2013.
  5. ↑ Transgenní opice daly první potomky (nepřístupný odkaz) . membrana (29. května 2009). Získáno 10. ledna 2017. Archivováno z originálu 9. června 2009. 
  6. ↑ Narozené geneticky změněné děti . BBC . Získáno 26. dubna 2008. Archivováno z originálu 22. srpna 2011.
  7. ↑ B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, 2008. Molecular biology of the cell, 5. ed., Garland Science, USA, pp. 1302-1303
  8. ↑ Kimmelman J. (2009) "Etika klinického výzkumu přenosu genů rakoviny", Methods in Molecular Biology 542, 423-445
  9. ↑ Wagner AM, Schoeberlein A, Surbek D. (2009) "Fetální genová terapie: příležitosti a rizika", Advanced Drug Delivery Reviews 61, 813-821
  10. ↑ Gatzidou E, Gatzidou G, Theocharis SE. (2009) "Geneticky transformované světové rekordy: realita nebo ve sféře fantazie?", Medical Science Monitor 15, RA41-47
  11. ↑ Lowenstein P. R. (2008) "Klinické studie v genové terapii: etika informovaného souhlasu a budoucnost experimentální medicíny", Current Opinion in Molecular Therapy 10, 428-430
  12. ↑ Jin X, Yang YD, Li YM. (2008) "Genová terapie: předpisy, etika a její praktické aspekty při onemocnění jater", World Journal of Gastroenterology 14, 2303-2307
  13. ↑ Harridge SD, Velloso CP. (2008) "Gene doping", Essays in Biochemistry 44, 125-138
  14. ↑ První navrhovaný test CRISPR na lidech prošel úvodním bezpečnostním přezkumem  ( 21. června 2016). Získáno 2. listopadu 2016. Archivováno z originálu 4. listopadu 2016.
  15. ↑ „ Eticky neopodstatněné“: „designérské“ děti se narodily v Číně A. Šalková, P. Kotlyar.
  16. ↑ Řízená mutace : jak se dnes léčí HIV I. Šestakov.
  17. ↑ První geneticky upravená miminka nárokovaná v Číně Archivováno 1. února 2019 na Wayback Machine / 26. 11. 2018 "Medical Xpress" ("Science X Network"/" The Associated Press "). Marilyn Marchione.
  18. ↑ Uprostřed pozdvižení čínský vědec obhajuje vytváření genově upravených  dětí . STAT (28. listopadu 2018). Staženo 1. února 2019. Archivováno z originálu 31. ledna 2019.
  19. ↑ Čínské úřady potvrzují narození geneticky modifikovaných dětí Archivní kopie z 1. února 2019 na Wayback Machine / 01/21/2019 " Popular Mechanics ". S. Sysoev.
  20. ↑ Brilantní vědec nebo nebezpečný dobrodruh? Co víme o profesoru He Jiankui _ N. Voronin.
  21. ↑ První geneticky modifikované děti narozené v Číně. Jsou imunní vůči HIV __ _ _
  22. ↑ Nařízení vlády Ruské federace ze dne 23. září 2013 č. 839 „O státní registraci geneticky modifikovaných organismů“
  23. ↑ plk. vyd. Otevřený dopis Společnosti vědeckých pracovníků na podporu rozvoje genetického inženýrství v Ruské federaci  // Komise Ruské akademie věd pro boj proti pseudovědě a falšování vědeckého výzkumu na obranu vědy. - 2015. - č. 15 . - ISBN 978-5-02-039148-2 .

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
 Bioinženýrství
Oblasti bioinženýrství
Související články
Vědci
Popularizátory