Genetisk modifikation: definition, typer, proces, eksempler

EN gen, fra et grundlæggende biokemisk synspunkt, er et segment af deoxyribonukleinsyre (DNA) inde i hver celle i en organisme, der bærer den genetiske kode til samling af et bestemt proteinprodukt. På et mere funktionelt og dynamisk niveau bestemmer gener, hvad organismer - dyr, planter, svampe og endda bakterier - er, og hvad de er bestemt til at udvikle sig til.

Mens genernes adfærd er påvirket af miljøfaktorer (fx ernæring) og endda af andre gener, er sammensætningen af ​​din genetisk materiale overvældende dikterer næsten alt om dig, synlig og usynlig, fra din krops størrelse til dit svar på mikrobielle angribere, allergener og andre eksterne stoffer.

Evnen til at ændre, modificere eller konstruere gener på bestemte måder ville derfor introducere muligheden for at være i stand til det skabe udsøgt skræddersyede organismer - inklusive mennesker - ved hjælp af givne kombinationer af DNA, der vides at indeholde visse gener.

Processen med at ændre en organisme genotype (løst sagt summen af ​​dets individuelle gener) og dermed dens genetiske "blueprint" er kendt som

Tilknyttede udviklinger har ført både spænding til udsigten til at forbedre menneskers sundhed og livskvalitet og et væld af tornede og uundgåelige etiske spørgsmål på forskellige fronter.

Genetisk modifikation er en hvilken som helst proces, hvor gener manipuleres, ændres, slettes eller justeres for at amplificere, ændre eller justere en bestemt egenskab ved en organisme. Det er manipulation af træk på det absolutte rod - eller mobilniveau.

Overvej forskellen mellem rutinemæssigt at style dit hår på en bestemt måde og faktisk være i stand til at kontrollere dit hårs farve, længde og generel ordning (f.eks. lige versus krøllet) uden brug af hårplejeprodukter, i stedet for at stole på at give usynlige komponenter i din kropsinstruktioner om, hvordan man opnår og sikrer et ønsket kosmetisk resultat, og man får en fornemmelse af, hvad genetisk modifikation er alt sammen om.

Fordi alle levende organismer indeholder DNA, kan genteknologi udføres på alle organismer, fra bakterier til planter til mennesker.

Mens du læser dette, blomstrer genteknologi med nye muligheder og praksis inden for landbrug, medicin, produktion og andre områder.

Det er vigtigt at forstå forskellen mellem bogstaveligt skiftende gener og opføre sig på en måde, der udnytter et eksisterende gen.

Mange gener fungerer ikke uafhængigt af det miljø, hvor moderorganismen lever. Kostvaner, stress af forskellige slags (fx kroniske sygdomme, som måske eller måske ikke har et genetisk grundlag) og andre ting organismer, der rutinemæssigt konfronteres, kan påvirke genekspression eller det niveau, som gener bruges til at fremstille de proteinprodukter, hvortil de er kode.

Hvis du kommer fra en familie af mennesker, der er genetisk tilbøjelige til at være højere og tungere end gennemsnittet, og du stræber efter en atletisk karriere i en sport, der favoriserer styrke og størrelse som basketball eller hockey, kan du løfte vægte og spise en robust mængde mad for at maksimere dine chancer for at være så store og stærke som muligt.

Men dette er forskelligt fra at være i stand til at indsætte nye gener i dit DNA, der næsten garanterer en forudsigeligt niveau af muskel- og knoglevækst og i sidste ende et menneske med alle de typiske træk ved en sportsstjerne.

Der findes mange typer gentekniske teknikker, og ikke alle kræver manipulation af genetisk materiale ved hjælp af sofistikeret laboratorieudstyr.

Faktisk enhver proces, der involverer en aktiv og systematisk manipulation af en organisme genpuljeeller summen af ​​generne i en hvilken som helst population, der reproducerer ved avl (dvs. seksuelt), kvalificeres som genteknologi. Nogle af disse processer er naturligvis i forkant med teknologi.

Kunstig udvælgelse: Også kaldet simpel selektion eller selektiv avl, kunstig selektion er valget af forældreorganismer med en kendt genotype til producere afkom i mængder, der ikke ville forekomme, hvis naturen alene var ingeniør, eller i det mindste kun ville forekomme over langt længere tid skalaer.

Når landmænd eller hundeavlere vælger hvilke planter eller dyr der skal opdrættes for at sikre afkom med sikkerhed egenskaber mennesker finder ønskelige af en eller anden grund, praktiserer de en dagligdags form for genetisk modifikation.

Induceret mutagenese: Dette er brugen af ​​røntgenstråler eller kemikalier til at inducere mutationer (ikke planlagte, ofte spontane ændringer i DNA) i specifikke gener eller DNA-sekvenser af bakterier. Det kan resultere i at opdage genvarianter, der fungerer bedre (eller om nødvendigt dårligere) end det ”normale” gen. Denne proces kan hjælpe med at skabe nye "linjer" af organismer.

Selvom mutationer ofte er skadelige, er de også den grundlæggende kilde til genetisk variation i livet på jorden. Som et resultat, at inducere dem i stort antal, mens det er sikkert at skabe populationer af mindre egnede organismer, også øger sandsynligheden for en gavnlig mutation, som derefter kan udnyttes til menneskelige formål ved hjælp af yderligere teknikker.

Virus- eller plasmidvektorer: Forskere kan introducere et gen i en fag (en virus, der inficerer bakterier eller deres prokaryote slægtninge, Archaea) eller en plasmid vektor, og placer derefter det modificerede plasmid eller fag i andre celler for at introducere det nye gen i disse celler.

Anvendelser af disse processer inkluderer øget resistens over for sygdom, overvindelse af antibiotikaresistens og forbedring af en organisms evne til at modstå miljøbelastninger såsom ekstreme temperaturer og toksiner. Alternativt kan brugen af ​​sådanne vektorer forstærke en eksisterende egenskab i stedet for at skabe en ny.

Ved hjælp af planteopdrætsteknologi kan en plante "beordres" til at blomstre oftere, eller bakterier kan induceres producere et protein eller kemikalie, som de normalt ikke ville.

Retrovirale vektorer: Her placeres dele af DNA indeholdende visse gener i disse specielle slags vira, som derefter transporterer det genetiske materiale ind i cellerne i en anden organisme. Dette materiale er inkorporeret i værtsgenomet, så de kan udtrykkes sammen med resten af ​​DNA'et i den organisme.

Enkelt sagt indebærer dette at skære en streng af værts-DNA ved hjælp af specielle enzymer og indsætte den nye gen i hullet skabt ved at klippe og vedhæfte DNA i begge ender af genet til værten DNA.

"Knock in, knock out" -teknologi: Som navnet antyder, tillader denne type teknologi fuldstændig eller delvis sletning af visse sektioner af DNA eller visse gener ("knock out"). På lignende måder kan de menneskelige ingeniører bag denne form for genetisk modifikation vælge, hvornår og hvordan de skal tænde ("banke ind") en ny del af DNA eller et nyt gen.

Injektion af gener i spirende organismer: Injektion af gener eller vektorer, der indeholder gener i æg (oocytter), kan inkorporere de nye gener i genomet af det udviklende embryo, som derfor udtrykkes i den organisme, der til sidst resultater.

Genkloning er et eksempel på anvendelsen af ​​plasmidvektorer. Plasmider, som er cirkulære DNA-stykker, ekstraheres fra en bakterie- eller gærcelle. Restriktionsenzymer, som er proteiner, der "klipper" DNA på bestemte steder langs molekylet, bruges til at klippe DNA'et og skabe en lineær streng fra det cirkulære molekyle. Derefter "indsættes" DNA'et for det ønskede gen i plasmidet, som indføres i andre celler.

Endelig begynder disse celler at læse og kode det gen, der kunstigt blev tilsat til plasmidet.

Relateret indhold: RNA-definition, funktion, struktur

Genkloning inkluderer fire grundlæggende trin. I det følgende eksempel er dit mål at producere en stamme af E. coli bakterier, der lyser i mørket. (Normalt har disse bakterier selvfølgelig ikke denne egenskab; hvis de gjorde det, ville steder som verdens kloaksystemer og mange af dets naturlige vandveje få en tydelig anden karakter, som E. coli er fremherskende i den menneskelige mave-tarmkanal.)

1. Isoler det ønskede DNA. Først skal du finde eller oprette et gen, der koder for et protein med den krævede egenskab - i dette tilfælde glødende i mørket. Visse vandmænd fremstiller sådanne proteiner, og det ansvarlige gen er blevet identificeret. Dette gen kaldes mål-DNA. På samme tid skal du bestemme, hvilket plasmid du vil bruge; dette er vektor DNA.

2. Spalt DNA ved hjælp af restriktionsenzymer. Disse førnævnte proteiner, også kaldet restriktionsendonukleaser, er rigelige i bakterieverdenen. I dette trin bruger du den samme endonuklease til at skære både mål-DNA'et og vektor-DNA'et.

Nogle af disse enzymer skærer lige over begge tråde af DNA-molekylet, mens de i andre tilfælde foretager en "forskudt" snit, hvilket efterlader små længder af enkeltstrenget DNA eksponeret. Sidstnævnte kaldes klæbrig ender.

3. Kombiner mål-DNA'et og vektor-DNA'et. Du sætter nu de to typer DNA sammen sammen med et kaldet enzym DNA ligase, der fungerer som en detaljeret lim. Dette enzym vender endonukleasernes arbejde ved at forbinde enderne af molekylerne. Resultatet er en kimæreeller en streng af rekombinant DNA.

• Humant insulin, blandt mange andre vitale kemikalier, kan fremstilles ved hjælp af rekombinant teknologi.

4. Indfør det rekombinante DNA i værtscellen. Nu har du det gen, du har brug for, og et middel til at transportere det til, hvor det hører hjemme. Der er en række måder at gøre dette på, blandt dem transformation, hvor såkaldte kompetente celler fejer det nye DNA op, og elektroporation, hvor en puls af elektricitet bruges til kort at afbryde cellemembranen for at lade DNA-molekylet komme ind i cellen.

Kunstig udvælgelse: Hundeavlere kan vælge forskellige egenskaber, især pelsfarve. Hvis en given opdrætter af Labrador retrievere ser en stigning i efterspørgslen efter en given farve af racen, kan han eller hun systematisk opdrætte efter den pågældende farve.

Genterapi: Hos en person med et defekt gen kan en kopi af det fungerende gen introduceres i personens celler, så det krævede protein kan fremstilles ved hjælp af fremmed DNA.

GM-afgrøder: Genetisk modifikation landbrugsmetoder kan bruges til at skabe genetisk modificerede (GM) afgrøder såsom herbicidresistente planter, afgrøder, der giver mere frugt sammenlignet med konventionel avl, GM-planter, der er resistente over for kulde, afgrøder med et forbedret samlet høstudbytte, fødevarer med en højere ernæringsværdi og så på.

Mere bredt, i det 21. århundrede, har genetisk modificerede organismer (GMO'er) blomstret ud i et hot-button-problem i Europæiske og amerikanske markeder på grund af både fødevaresikkerhed og forretningsetiske bekymringer omkring genetisk modifikation af afgrøder.

Genmodificerede dyr: Et eksempel på GM-fødevarer i husdyrverdenen er avlskyllinger, der vokser større og hurtigere for at producere mere brystkød. Rekombinant DNA-teknologipraksis som denne rejser etiske bekymringer på grund af den smerte og ubehag, det kan medføre for dyrene.

Genredigering: Et eksempel på genredigering eller genomredigering er CRISPR, eller klyngede regelmæssigt mellemrum korte palindromiske gentagelser. Denne proces "lånes" fra en metode, der anvendes af bakterier til at forsvare sig mod vira. Det involverer stærkt målrettet genetisk modifikation af forskellige dele af målgenomet.

I CRISPR, guide ribonukleinsyre (gRNA), et molekyle med den samme sekvens som målstedet i genomet, kombineres i værtscellen med en endonuklease kaldet Cas9. GRNA'en vil binde til mål-DNA-stedet og trække Cas9 sammen med det. Denne genomredigering kan resultere i "udslåning" af et dårligt gen (såsom en variant impliceret i at forårsage kræft) og i nogle tilfælde tillader, at det dårlige gen erstattes med en ønskelig variant.