EIN Gen, von einem grundlegenden biochemischen Standpunkt aus, ist ein Segment von Desoxyribonukleinsäure (DNA) in jeder Zelle eines Organismus, die den genetischen Code zum Zusammenbau eines bestimmten Proteinprodukts trägt. Auf einer funktionelleren und dynamischeren Ebene bestimmen Gene, was Organismen – Tiere, Pflanzen, Pilze und sogar Bakterien – sind und zu was sie sich entwickeln sollen.
Während das Verhalten von Genen durch Umweltfaktoren (z.B. Ernährung) und sogar durch andere Gene beeinflusst wird, ist die Zusammensetzung Ihres Genmaterial überwältigend bestimmt fast alles über Sie, sichtbar und unsichtbar, von der Größe Ihres Körpers bis hin zu Ihrer Reaktion auf mikrobielle Eindringlinge, Allergene und andere äußere Einflüsse.
Die Möglichkeit, Gene auf spezifische Weise zu verändern, zu modifizieren oder zu manipulieren, würde daher die Möglichkeit eröffnen, in der Lage zu sein, Exquisit zugeschnittene Organismen – einschließlich des Menschen – mit bestimmten DNA-Kombinationen erschaffen, von denen bekannt ist, dass sie bestimmte Gene.
Der Prozess der Veränderung der eines Organismus Genotyp (genauer gesagt die Summe seiner einzelnen Gene) und daher ist sein genetischer "Bauplan" bekannt als genetische Veränderung. Auch genannt Gentechnik, ist diese Art des biochemischen Manövrierens in den letzten Jahrzehnten aus dem Bereich der Science-Fiction in die Realität übergegangen.
Die damit verbundenen Entwicklungen haben sowohl die Begeisterung über die Verbesserung der menschlichen Gesundheit und Lebensqualität als auch eine Vielzahl heikler und unausweichlicher ethischer Fragen an verschiedenen Fronten ausgelöst.
Genetische Veränderung: Definition
Genetische Veränderung ist jeder Prozess, durch den Gene manipuliert, verändert, gelöscht oder angepasst werden, um eine bestimmte Eigenschaft eines Organismus zu amplifizieren, zu verändern oder anzupassen. Es ist die Manipulation von Merkmalen auf der absoluten Wurzel- oder zellulären Ebene.
Betrachten Sie den Unterschied zwischen dem routinemäßigen Styling Ihres Haares auf eine bestimmte Art und Weise und der Möglichkeit, die Farbe, Länge und Länge Ihres Haares zu kontrollieren allgemeine Anordnung (z. B. glatt gegen lockig) ohne die Verwendung von Haarpflegeprodukten, sondern verlassen sich darauf, unsichtbare Komponenten Ihres Körperanweisungen, wie Sie ein gewünschtes kosmetisches Ergebnis erzielen und sicherstellen können, und Sie erhalten ein Gefühl dafür, was genetische Veränderung alles ist Über.
Da alle lebenden Organismen DNA enthalten, kann Gentechnik an allen Organismen durchgeführt werden, von Bakterien über Pflanzen bis hin zu Menschen.
Während Sie dies lesen, erblüht der Bereich der Gentechnik mit neuen Möglichkeiten und Praktiken in den Bereichen Landwirtschaft, Medizin, Fertigung und anderen Bereichen.
Was genetische Veränderung nicht ist
Es ist wichtig, den Unterschied zwischen einer buchstäblichen Veränderung von Genen und einem Verhalten, das ein vorhandenes Gen ausnutzt, zu verstehen.
Viele Gene funktionieren nicht unabhängig von der Umgebung, in der der Elternorganismus lebt. Ernährungsgewohnheiten, Belastungen verschiedenster Art (z.B. chronische Krankheiten, die genetisch bedingt sein können oder nicht) und andere Dinge Organismen, mit denen sie routinemäßig konfrontiert werden, können die Genexpression beeinflussen oder das Ausmaß, in dem Gene verwendet werden, um die Proteinprodukte herzustellen, für die sie Code.
Wenn Sie aus einer Familie von Menschen stammen, die genetisch dazu neigen, größer und schwerer als der Durchschnitt zu sein, und eine sportliche Karriere in einer Sportart anstreben, die begünstigt Kraft und Größe wie Basketball oder Hockey, können Sie Gewichte heben und eine robuste Menge an Nahrung zu sich nehmen, um Ihre Chancen zu maximieren, so groß und stark zu sein wie möglich.
Aber das ist etwas anderes, als neue Gene in Ihre DNA einfügen zu können, die praktisch eine Garantie für vorhersehbares Maß an Muskel- und Knochenwachstum und letztendlich ein Mensch mit allen typischen Merkmalen von a Sport star.
Arten der genetischen Veränderung
Es gibt viele Arten gentechnischer Techniken, und nicht alle erfordern die Manipulation von genetischem Material mit hochentwickelten Laborgeräten.
Tatsächlich ist jeder Prozess, der die aktive und systematische Manipulation der gen Pool, oder die Summe der Gene in einer Population, die sich durch Züchtung (d. h. sexuell) fortpflanzt, gilt als Gentechnik. Einige dieser Verfahren sind natürlich auf dem neuesten Stand der Technik.
Künstliche Selektion: Künstliche Selektion, auch einfache Selektion oder selektive Züchtung genannt, ist die Auswahl von Elternorganismen mit einem bekannten Genotyp, um Nachkommen in Mengen produzieren, die nicht oder nur über einen viel längeren Zeitraum entstehen würden, wenn die Natur allein der Ingenieur wäre Waage.
Wenn Landwirte oder Hundezüchter auswählen, welche Pflanzen oder Tiere gezüchtet werden sollen, um Nachkommen mit Sicherheit zu sichern Eigenschaften, die Menschen aus irgendeinem Grund wünschenswert finden, praktizieren sie eine alltägliche Form der genetischen Änderung.
Induzierte Mutagenese: Dies ist die Verwendung von Röntgenstrahlen oder Chemikalien, um Mutationen (ungeplante, oft spontane Veränderungen der DNA) in bestimmten Genen oder DNA-Sequenzen von Bakterien zu induzieren. Es kann dazu führen, dass Genvarianten entdeckt werden, die eine bessere (oder ggf. schlechtere) Leistung erbringen als das „normale“ Gen. Dieser Prozess kann helfen, neue "Linien" von Organismen zu schaffen.
Mutationen sind zwar oft schädlich, aber auch die grundlegende Quelle der genetischen Variabilität im Leben auf der Erde. Dies führt dazu, dass sie in großer Zahl induziert werden, während sie mit Sicherheit auch Populationen weniger fitter Organismen schaffen erhöht die Wahrscheinlichkeit einer nützlichen Mutation, die dann mit zusätzlichen purposes Techniken.
Virus- oder Plasmidvektoren: Wissenschaftler können ein Gen in einen Phagen (ein Virus, das Bakterien oder ihre prokaryontischen Verwandten, die Archaeen, infiziert) einschleusen oder a Plasmid Vektor, und dann das modifizierte Plasmid oder den Phagen in andere Zellen einbringen, um das neue Gen in diese Zellen einzuführen.
Anwendungen dieser Verfahren sind die Erhöhung der Krankheitsresistenz, die Überwindung von Antibiotikaresistenzen und Verbesserung der Fähigkeit eines Organismus, Umweltstressoren wie extremen Temperaturen und Toxine. Alternativ kann die Verwendung solcher Vektoren ein vorhandenes Merkmal verstärken, anstatt ein neues zu erzeugen.
Mithilfe der Pflanzenzüchtungstechnologie kann einer Pflanze „befohlen“ werden, häufiger zu blühen, oder Bakterien können dazu gebracht werden, ein Protein oder eine Chemikalie zu produzieren, die sie normalerweise nicht produzieren würden.
Retrovirale Vektoren: Hier werden DNA-Anteile mit bestimmten Genen in diese speziellen Viren eingebracht, die dann das Erbgut in die Zellen eines anderen Organismus transportieren. Dieses Material wird in das Wirtsgenom eingebaut, so dass es zusammen mit dem Rest der DNA in diesem Organismus exprimiert werden kann.
Im Klartext bedeutet dies, dass mit speziellen Enzymen ein Strang der Wirts-DNA zerschnitten und das neue eingefügt wird Gen in die Lücke, die durch das Ausschneiden und Anheften der DNA an beiden Enden des Gens an den Wirt entstanden ist DNA.
„Knock in, Knock out“-Technologie: Wie der Name schon sagt, ermöglicht diese Art von Technologie die vollständige oder teilweise Deletion bestimmter DNA-Abschnitte oder bestimmter Gene ("Knock-Out"). In ähnlicher Weise können die menschlichen Ingenieure hinter dieser Form der genetischen Veränderung wählen, wann und wie sie einen neuen DNA-Abschnitt oder ein neues Gen einschalten ("knock-in").
Injektion von Genen in werdende Organismen: Das Injizieren von Genen oder Vektoren, die Gene enthalten, in Eier (Oozyten) kann die neuen Gene in das Genom des sich entwickelnden Embryos, die daher im Organismus exprimiert werden, der schließlich Ergebnisse.
Klonen von Genen
Klonen von Genen ist ein Beispiel für die Verwendung von Plasmidvektoren. Plasmide, bei denen es sich um zirkuläre DNA-Stücke handelt, werden aus einer Bakterien- oder Hefezelle extrahiert. Restriktionsenzyme, das sind Proteine, die DNA an bestimmten Stellen entlang des Moleküls „schneiden“, werden verwendet, um die DNA zu zerschneiden, wodurch ein linearer Strang aus dem kreisförmigen Molekül entsteht. Dann wird die DNA für das gewünschte Gen in das Plasmid "eingeklebt", das in andere Zellen eingeführt wird.
Schließlich beginnen diese Zellen, das Gen zu lesen und zu codieren, das dem Plasmid künstlich hinzugefügt wurde.
Zugehöriger Inhalt: RNA-Definition, Funktion, Struktur
Das Klonen von Genen umfasst vier grundlegende Schritte. Im folgenden Beispiel besteht Ihr Ziel darin, einen Stamm von. zu erzeugen E. coli Bakterien, die im Dunkeln leuchten. (Normalerweise besitzen diese Bakterien diese Eigenschaft natürlich nicht; Wenn dies der Fall wäre, würden Orte wie die Kanalisation der Welt und viele ihrer natürlichen Wasserstraßen einen deutlich anderen Charakter annehmen, da E. coli sind im menschlichen Magen-Darm-Trakt weit verbreitet.)
1. Isolieren Sie die gewünschte DNA. Zuerst müssen Sie ein Gen finden oder erstellen, das für ein Protein mit der erforderlichen Eigenschaft kodiert – in diesem Fall im Dunkeln leuchtend. Bestimmte Quallen produzieren solche Proteine, und das dafür verantwortliche Gen wurde identifiziert. Dieses Gen wird als bezeichnet Ziel-DNA. Gleichzeitig müssen Sie bestimmen, welches Plasmid Sie verwenden werden; Dies ist das Vektor-DNA.
2. Spaltung der DNA mit Restriktionsenzymen. Diese oben genannten Proteine, auch genannt Restriktionsendonukleasen, sind in der Bakterienwelt reichlich vorhanden. In diesem Schritt verwenden Sie dieselbe Endonuklease, um sowohl die Ziel-DNA als auch die Vektor-DNA zu schneiden.
Einige dieser Enzyme schneiden gerade über beide Stränge des DNA-Moleküls, während sie in anderen Fällen einen "versetzten" Schnitt machen, wodurch kleine Längen einzelsträngiger DNA freigelegt werden. Letztere heißen Klebrige Enden.
3. Kombinieren Sie die Ziel-DNA und die Vektor-DNA. Sie setzen nun die beiden DNA-Typen zusammen mit einem Enzym namens DNA-Ligase, das wie eine aufwendige Art von Klebstoff funktioniert. Dieses Enzym kehrt die Arbeit der Endonukleasen um, indem es die Enden der Moleküle miteinander verbindet. Das Ergebnis ist ein Chimäre, oder ein Strang von rekombinante DNA.
- Humaninsulin kann neben vielen anderen lebenswichtigen Chemikalien mit rekombinanter Technologie hergestellt werden.
4. Führen Sie die rekombinante DNA in die Wirtszelle ein. Jetzt haben Sie das Gen, das Sie brauchen, und die Möglichkeit, es dorthin zu bringen, wo es hingehört. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten, unter anderem Transformation, in denen sogenannte kompetente Zellen die neue DNA auffegen, und Elektroporation, bei dem ein Stromimpuls verwendet wird, um die Zellmembran kurz zu durchbrechen, damit das DNA-Molekül in die Zelle eindringen kann.
Beispiele für genetische Modifikationen
Künstliche Auswahl: Hundezüchter können nach verschiedenen Merkmalen auswählen, insbesondere nach der Fellfarbe. Wenn ein bestimmter Züchter von Labrador-Retrievern eine steigende Nachfrage nach einer bestimmten Farbe der Rasse sieht, kann er oder sie systematisch nach dieser Farbe züchten.
Gentherapie: Bei jemandem mit einem defekten Gen kann eine Kopie des Arbeitsgens in die Zellen dieser Person eingeführt werden, damit das erforderliche Protein mit fremder DNA hergestellt werden kann.
GV-Pflanzen: Mit gentechnisch veränderten landwirtschaftlichen Methoden können gentechnisch veränderte (GV) Pflanzen wie herbizidresistente Pflanzen erzeugt werden, die mehr Früchte bringen gegenüber konventioneller Züchtung kälteresistente gv-Pflanzen, Nutzpflanzen mit einem insgesamt verbesserten Ernteertrag, Lebensmittel mit höherem Nährwert und so auf.
Im weiteren Sinne haben sich im 21. Jahrhundert gentechnisch veränderte Organismen (GVO) zu einem heiklen Thema gemausert Europäische und amerikanische Märkte aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Lebensmittelsicherheit und der Geschäftsethik im Zusammenhang mit der genetischen Veränderung von Getreide.
Gentechnisch veränderte Tiere: Ein Beispiel für gentechnisch veränderte Lebensmittel in der Nutztierwelt ist die Zucht von Hühnern, die größer und schneller werden, um mehr Brustfleisch zu produzieren. Praktiken der rekombinanten DNA-Technologie wie diese werfen aufgrund der Schmerzen und Beschwerden, die sie den Tieren verursachen können, ethische Bedenken auf.
Genbearbeitung: Ein Beispiel für Gene Editing oder Genome Editing ist CRISPR, oder geclusterte regelmäßig beabstandete kurze palindromische Wiederholungen. Dieser Vorgang ist einer Methode „entlehnt“, die Bakterien verwenden, um sich gegen Viren zu verteidigen. Es beinhaltet eine hochgradig gezielte genetische Modifikation verschiedener Teile des Zielgenoms.
In CRISPR, Leit-Ribonukleinsäure (gRNA), ein Molekül mit der gleichen Sequenz wie die Zielstelle im Genom, wird in der Wirtszelle mit einer Endonuklease namens Cas9 kombiniert. Die gRNA bindet an die Ziel-DNA-Stelle und zieht Cas9 mit sich. Diese Genom-Editierung kann dazu führen, dass ein schlechtes Gen (wie eine Variante, die an der Entstehung von Krebs beteiligt ist) „ausgeknockt“ wird und in einigen Fällen das schlechte Gen durch eine wünschenswerte Variante ersetzt werden kann.