Γενετική Τροποποίηση: Ορισμός, Τύποι, Διαδικασία, Παραδείγματα

ΕΝΑ γονίδιο, από βασική βιοχημική άποψη, είναι ένα τμήμα του δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) μέσα σε κάθε κύτταρο ενός οργανισμού που φέρει τον γενετικό κώδικα για τη συγκέντρωση ενός συγκεκριμένου πρωτεϊνικού προϊόντος. Σε ένα πιο λειτουργικό και δυναμικό επίπεδο, τα γονίδια καθορίζουν τους οργανισμούς - ζώα, φυτά, μύκητες, ακόμη και βακτήρια - και σε τι προορίζονται να αναπτυχθούν.

Ενώ η συμπεριφορά των γονιδίων επηρεάζεται από περιβαλλοντικούς παράγοντες (π.χ. διατροφή) και ακόμη και από άλλα γονίδια, η σύνθεση του γονιδίου σας γενετικό υλικό υπαγορεύει συντριπτικά σχεδόν τα πάντα για εσάς, ορατά και αόρατα, από το μέγεθος του σώματός σας έως την ανταπόκρισή σας σε μικροβιακούς εισβολείς, αλλεργιογόνα και άλλους εξωτερικούς παράγοντες.

Η ικανότητα αλλαγής, τροποποίησης ή μηχανικής γονιδίων με συγκεκριμένους τρόπους θα καθιερώσει την επιλογή της ικανότητας Δημιουργήστε εξαιρετικά προσαρμοσμένους οργανισμούς - συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων - χρησιμοποιώντας δεδομένους συνδυασμούς DNA που είναι γνωστό ότι περιέχουν ορισμένα γονίδια.

Η διαδικασία αλλαγής ενός οργανισμού γονότυπος (χαλαρά μιλώντας, το άθροισμα των μεμονωμένων γονιδίων του) και ως εκ τούτου το γενετικό του «σχεδιάγραμμα» είναι γνωστό ως γενετική τροποποίηση. Επίσης λέγεται γενετική μηχανική, αυτό το είδος βιοχημικών ελιγμών έχει μετακινηθεί από το πεδίο της επιστημονικής φαντασίας στην πραγματικότητα τις τελευταίες δεκαετίες.

Οι συναφείς εξελίξεις εντάχθηκαν τόσο στον ενθουσιασμό με την προοπτική βελτίωσης της ανθρώπινης υγείας και της ποιότητας ζωής και σε μια σειρά από ακανθώδη και αναπόφευκτα ηθικά ζητήματα σε διάφορα μέτωπα.

Γενετική τροποποίηση είναι οποιαδήποτε διαδικασία με την οποία τα γονίδια χειρίζονται, αλλάζουν, διαγράφονται ή προσαρμόζονται με σκοπό την ενίσχυση, την αλλαγή ή την προσαρμογή ενός συγκεκριμένου χαρακτηριστικού ενός οργανισμού. Είναι ο χειρισμός των χαρακτηριστικών στο απόλυτο ριζικό - ή κυτταρικό - επίπεδο.

Εξετάστε τη διαφορά μεταξύ της τακτικής μορφής των μαλλιών σας με έναν συγκεκριμένο τρόπο και της πραγματικής ικανότητας ελέγχου του χρώματος, του μήκους και των μαλλιών σας γενική ρύθμιση (π.χ. ευθεία έναντι σγουρού) χωρίς τη χρήση προϊόντων περιποίησης μαλλιών, αντί να βασιστείτε στην παροχή αόρατων συστατικών του οδηγίες σώματος σχετικά με τον τρόπο επίτευξης και διασφάλισης ενός επιθυμητού καλλυντικού αποτελέσματος και αποκτάτε μια αίσθηση της γενετικής τροποποίησης σχετικά με.

Επειδή όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί περιέχουν DNA, η γενετική μηχανική μπορεί να εκτελεστεί σε οποιονδήποτε και σε όλους τους οργανισμούς, από βακτήρια έως φυτά έως ανθρώπινα όντα.

Καθώς το διαβάζετε, ο τομέας της γενετικής μηχανικής αναπτύσσεται με νέες δυνατότητες και πρακτικές στους τομείς της γεωργίας, της ιατρικής, της μεταποίησης και άλλων τομέων.

Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τη διαφορά μεταξύ κυριολεκτικά μεταβαλλόμενων γονιδίων και συμπεριφοράς με τρόπο που να εκμεταλλεύεται ένα υπάρχον γονίδιο.

Πολλά γονίδια δεν λειτουργούν ανεξάρτητα από το περιβάλλον στο οποίο ζει ο γονικός οργανισμός. Διατροφικές συνήθειες, άγχος διαφόρων ειδών (π.χ. χρόνιες ασθένειες, οι οποίες μπορεί να έχουν ή όχι γενετική βάση) και άλλα πράγματα οι οργανισμοί που αντιμετωπίζουν συνήθως μπορούν να επηρεάσουν την έκφραση των γονιδίων ή το επίπεδο στο οποίο χρησιμοποιούνται τα γονίδια για την παραγωγή των πρωτεϊνικών προϊόντων για τα οποία κώδικας.

Εάν προέρχεστε από μια οικογένεια ανθρώπων που έχουν γενετική τάση να είναι ψηλότεροι και βαρύτεροι από τον μέσο όρο και επιθυμείτε μια αθλητική καριέρα σε ένα άθλημα που ευνοεί δύναμη και μέγεθος όπως μπάσκετ ή χόκεϊ, μπορείτε να ανυψώσετε βάρη και να φάτε μια πλούσια ποσότητα φαγητού για να μεγιστοποιήσετε τις πιθανότητές σας να είστε τόσο μεγάλοι και δυνατοί όσο δυνατόν.

Αλλά αυτό είναι διαφορετικό από το να εισάγετε νέα γονίδια στο DNA σας που ουσιαστικά εγγυώνται ένα προβλέψιμο επίπεδο ανάπτυξης μυών και οστών και, τελικά, ενός ανθρώπου με όλα τα τυπικά χαρακτηριστικά του α σπορ αστέρι.

Υπάρχουν πολλοί τύποι τεχνικών γενετικής μηχανικής και δεν απαιτούν όλοι τους χειρισμό γενετικού υλικού χρησιμοποιώντας εξελιγμένο εργαστηριακό εξοπλισμό.

Στην πραγματικότητα, κάθε διαδικασία που περιλαμβάνει τον ενεργό και συστηματικό χειρισμό ενός οργανισμού γενετική δεξαμενή, ή το άθροισμα των γονιδίων σε οποιονδήποτε πληθυσμό που αναπαράγεται με αναπαραγωγή (δηλαδή σεξουαλικά), χαρακτηρίζεται ως γενετική μηχανική. Μερικές από αυτές τις διαδικασίες, φυσικά, είναι πράγματι στην αιχμή της τεχνολογίας.

Τεχνητή επιλογή: Επίσης, ονομάζεται απλή επιλογή ή επιλεκτική αναπαραγωγή, η τεχνητή επιλογή είναι η επιλογή γονικών οργανισμών με γνωστό γονότυπο παράγουν απογόνους σε ποσότητες που δεν θα συνέβαιναν εάν η φύση μόνο ήταν ο μηχανικός ή τουλάχιστον θα συνέβαινε μόνο σε πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα Ζυγός.

Όταν οι κτηνοτρόφοι ή οι κτηνοτρόφοι επιλέγουν ποια φυτά ή ζώα θα αναπαραχθούν προκειμένου να διασφαλίσουν ορισμένους απογόνους χαρακτηριστικά που οι άνθρωποι βρίσκουν επιθυμητά για κάποιο λόγο, ασκούν μια καθημερινή μορφή γενετικής τροποποίηση.

Προκαλούμενη μεταλλαξογένεση: Αυτή είναι η χρήση ακτινογραφιών ή χημικών ουσιών για την πρόκληση μεταλλάξεων (μη προγραμματισμένες, συχνά αυθόρμητες αλλαγές στο DNA) σε συγκεκριμένα γονίδια ή αλληλουχίες DNA βακτηρίων. Μπορεί να οδηγήσει στην ανακάλυψη παραλλαγών γονιδίων που αποδίδουν καλύτερα (ή εάν είναι απαραίτητο, χειρότερα) από το «φυσιολογικό» γονίδιο. Αυτή η διαδικασία μπορεί να βοηθήσει στη δημιουργία νέων "γραμμών" οργανισμών.

Οι μεταλλάξεις, ενώ είναι συχνά επιβλαβείς, αποτελούν επίσης τη θεμελιώδη πηγή γενετικής μεταβλητότητας στη ζωή στη Γη. Ως αποτέλεσμα, προκαλώντας τους σε μεγάλο αριθμό, ενώ είναι βέβαιο ότι θα δημιουργήσουν πληθυσμούς με λιγότερο κατάλληλους οργανισμούς, επίσης αυξάνει την πιθανότητα μιας ευεργετικής μετάλλαξης, η οποία μπορεί στη συνέχεια να αξιοποιηθεί για ανθρώπινους σκοπούς χρησιμοποιώντας επιπλέον τεχνικές.

Φορείς ιών ή πλασμιδίων: Οι επιστήμονες μπορούν να εισαγάγουν ένα γονίδιο σε έναν φάγο (έναν ιό που μολύνει βακτήρια ή τους προκαρυωτικούς συγγενείς τους, την Αρχαία) ή πλασμίδιο φορέα, και στη συνέχεια τοποθετήστε το τροποποιημένο πλασμίδιο ή φάγο σε άλλα κύτταρα προκειμένου να εισαχθεί το νέο γονίδιο σε αυτά τα κύτταρα.

Εφαρμογές αυτών των διεργασιών περιλαμβάνουν την αύξηση της αντοχής στις ασθένειες, την υπέρβαση της αντοχής στα αντιβιοτικά και βελτίωση της ικανότητας ενός οργανισμού να αντιστέκεται σε περιβαλλοντικούς στρες όπως ακραίες θερμοκρασίες και τοξίνες. Εναλλακτικά, η χρήση τέτοιων διανυσμάτων μπορεί να ενισχύσει ένα υπάρχον χαρακτηριστικό αντί να δημιουργήσει ένα νέο.

Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία αναπαραγωγής φυτών, ένα φυτό μπορεί να «διατάσσεται» να ανθίζει πιο συχνά ή τα βακτήρια να προκαλούνται παράγουν μια πρωτεΐνη ή χημική ουσία που κανονικά δεν θα είχαν.

Ρετροϊικοί φορείς: Εδώ, τμήματα DNA που περιέχουν ορισμένα γονίδια τοποθετούνται σε αυτά τα ειδικά είδη ιών, οι οποίοι στη συνέχεια μεταφέρουν το γενετικό υλικό στα κύτταρα ενός άλλου οργανισμού. Αυτό το υλικό ενσωματώνεται στο γονιδίωμα του ξενιστή έτσι ώστε να μπορεί να εκφραστεί μαζί με το υπόλοιπο DNA αυτού του οργανισμού.

Με απλά λόγια, αυτό περιλαμβάνει την αποκοπή ενός κλώνου DNA ξενιστή χρησιμοποιώντας ειδικά ένζυμα, εισάγοντας το νέο γονίδιο στο κενό που δημιουργείται από το ψαλίδισμα και τη σύνδεση του DNA και στα δύο άκρα του γονιδίου στον ξενιστή DNA.

Τεχνολογία "Knock in, knock out": Όπως υποδηλώνει το όνομά του, αυτός ο τύπος τεχνολογίας επιτρέπει την πλήρη ή μερική διαγραφή ορισμένων τμημάτων DNA ή συγκεκριμένων γονιδίων ("knock out"). Κατά παρόμοιο τρόπο, οι ανθρώπινοι μηχανικοί πίσω από αυτήν τη μορφή γενετικής τροποποίησης μπορούν να επιλέξουν πότε και πώς να ενεργοποιήσουν ("knock in") μια νέα ενότητα DNA ή ένα νέο γονίδιο.

Ένεση γονιδίων σε νεογέννητους οργανισμούς: Η ένεση γονιδίων ή φορέων που περιέχουν γονίδια σε αυγά (ωοκύτταρα) μπορεί να ενσωματώσει τα νέα γονίδια σε το γονιδίωμα του αναπτυσσόμενου εμβρύου, το οποίο επομένως εκφράζεται στον οργανισμό που τελικά Αποτελέσματα.

Κλωνοποίηση γονιδίων είναι ένα παράδειγμα της χρήσης πλασμιδιακών φορέων. Τα πλασμίδια, τα οποία είναι κυκλικά κομμάτια DNA, εξάγονται από ένα βακτηριακό ή ζυμομύκητα. Ένζυμα περιορισμού, οι οποίες είναι πρωτεΐνες που «κόβουν» το DNA σε συγκεκριμένες θέσεις κατά μήκος του μορίου, χρησιμοποιούνται για την αποκοπή του DNA, δημιουργώντας έναν γραμμικό κλώνο από το κυκλικό μόριο. Στη συνέχεια, το DNA για το επιθυμητό γονίδιο "επικολλάται" στο πλασμίδιο, το οποίο εισάγεται σε άλλα κύτταρα.

Τέλος, αυτά τα κύτταρα αρχίζουν να διαβάζουν και να κωδικοποιούν το γονίδιο που προστέθηκε τεχνητά στο πλασμίδιο.

Σχετικό περιεχόμενο: Ορισμός, λειτουργία, δομή RNA

Η κλωνοποίηση γονιδίων περιλαμβάνει τέσσερα βασικά βήματα. Στο παρακάτω παράδειγμα, ο στόχος σας είναι να δημιουργήσετε μια πίεση ΜΙ. coli βακτήρια που λάμπουν στο σκοτάδι. (Συνήθως, φυσικά, αυτά τα βακτήρια δεν διαθέτουν αυτήν την ιδιότητα. αν το έκαναν, μέρη όπως τα συστήματα αποχέτευσης του κόσμου και πολλές από τις φυσικές πλωτές οδούς του θα είχαν διαφορετικό χαρακτήρα, όπως ΜΙ. coli είναι διαδεδομένα στον ανθρώπινο γαστρεντερικό σωλήνα.)

1. Απομονώστε το επιθυμητό DNA. Πρώτον, πρέπει να βρείτε ή να δημιουργήσετε ένα γονίδιο που κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη με την απαιτούμενη ιδιότητα - σε αυτήν την περίπτωση, λάμπει στο σκοτάδι. Ορισμένες μέδουσες παράγουν τέτοιες πρωτεΐνες και το υπεύθυνο γονίδιο έχει αναγνωριστεί. Αυτό το γονίδιο ονομάζεται στοχευόμενο DNA. Ταυτόχρονα, πρέπει να καθορίσετε ποιο πλασμίδιο θα χρησιμοποιήσετε. αυτό είναι το φορέα DNA.

2. Διασπά το DNA χρησιμοποιώντας περιοριστικά ένζυμα. Αυτές οι προαναφερθείσες πρωτεΐνες, που ονομάζονται επίσης περιοριστικές ενδονουκλεάσες, είναι άφθονα στον κόσμο των βακτηρίων. Σε αυτό το βήμα, χρησιμοποιείτε την ίδια ενδονουκλεάση για να κόψετε τόσο το DNA στόχου όσο και το DNA φορέα.

Μερικά από αυτά τα ένζυμα κόβονται ευθεία και στους δύο κλώνους του μορίου DNA, ενώ σε άλλες περιπτώσεις κάνουν μια «κλιμακωτή» περικοπή, αφήνοντας εκτεθειμένα μικρά μήκη μονόκλωνου DNA. Τα τελευταία ονομάζονται κολλώδη άκρα.

3. Συνδυάστε το DNA-στόχο και το DNA του φορέα. Τώρα βάζετε τους δύο τύπους DNA μαζί με ένα ένζυμο που ονομάζεται Λιγάση DNA, που λειτουργεί ως ένα περίτεχνο είδος κόλλας. Αυτό το ένζυμο αντιστρέφει το έργο των ενδονουκλεασών ενώνοντας τα άκρα των μορίων μαζί. Το αποτέλεσμα είναι ένα χίμαιρα, ή ένα σκέλος του ανασυνδυασμένο DNA.

• Η ανθρώπινη ινσουλίνη, μεταξύ πολλών άλλων ζωτικών χημικών, μπορεί να παρασκευαστεί χρησιμοποιώντας τεχνολογία ανασυνδυασμού.

4. Εισαγάγετε το ανασυνδυασμένο DNA στο κύτταρο ξενιστή. Τώρα, έχετε το γονίδιο που χρειάζεστε και ένα μέσο για να το μεταφέρετε εκεί που ανήκει. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να γίνει αυτό, μεταξύ αυτών μεταμόρφωση, στο οποίο τα λεγόμενα ικανά κύτταρα σαρώνουν το νέο DNA και ηλεκτροπόρωση, στον οποίο ένας παλμός ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιείται για να διακόψει εν συντομία την κυτταρική μεμβράνη για να επιτρέψει στο μόριο DNA να εισέλθει στο κύτταρο.

Τεχνητή επιλογή: Οι κτηνοτρόφοι σκύλων μπορούν να επιλέξουν για διαφορετικά χαρακτηριστικά, ιδίως το χρώμα του παλτού. Εάν ένας συγκεκριμένος δημιουργός λαμπραντόρ ανακτήσει δει μια αύξηση της ζήτησης για ένα δεδομένο χρώμα της φυλής, αυτός ή αυτή μπορεί να αναπαράγει συστηματικά το εν λόγω χρώμα.

Γονιδιακή θεραπεία: Σε κάποιο άτομο με ελαττωματικό γονίδιο, ένα αντίγραφο του γονιδίου εργασίας μπορεί να εισαχθεί στα κύτταρα αυτού του ατόμου έτσι ώστε η απαιτούμενη πρωτεΐνη να μπορεί να παρασκευαστεί χρησιμοποιώντας ξένο DNA.

ΓΤ καλλιέργειες: Οι μέθοδοι γεωργικής γενετικής τροποποίησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία γενετικά τροποποιημένων (ΓΤ) καλλιεργειών όπως φυτά ανθεκτικά στα ζιζανιοκτόνα, καλλιέργειες που αποδίδουν περισσότερα φρούτα σε σύγκριση με τη συμβατική αναπαραγωγή, ΓΤ φυτά που είναι ανθεκτικά στο κρύο, καλλιέργειες με βελτιωμένη συνολική απόδοση συγκομιδής, τρόφιμα με υψηλότερη θρεπτική αξία και ούτω καθεξής επί.

Γενικότερα, τον 21ο αιώνα, οι γενετικά τροποποιημένοι οργανισμοί (ΓΤΟ) έχουν εξελιχθεί σε ένα ζήτημα Οι ευρωπαϊκές και αμερικανικές αγορές οφείλονται τόσο στην ασφάλεια των τροφίμων όσο και στην επιχειρηματική ηθική σχετικά με τη γενετική τροποποίηση καλλιεργειών.

Γενετικά τροποποιημένα ζώα: Ένα παράδειγμα γενετικώς τροποποιημένων τροφίμων στον κόσμο των ζώων είναι η αναπαραγωγή κοτόπουλων που μεγαλώνουν και γρηγορότερα για την παραγωγή περισσότερου κρέατος στο στήθος. Πρακτικές τεχνολογίας ανασυνδυασμένου DNA όπως αυτές εγείρουν ηθικές ανησυχίες λόγω του πόνου και της ταλαιπωρίας που μπορεί να προκαλέσει στα ζώα.

Επεξεργασία γονιδίου: Ένα παράδειγμα επεξεργασίας γονιδίων ή επεξεργασίας γονιδιώματος, είναι ΣΚΑΦΟΣ, ή συγκεντρωμένες τακτικά διαστήματα μεσοδιάστημα μικρών παλινδρομικών επαναλήψεων. Αυτή η διαδικασία «δανείζεται» από μια μέθοδο που χρησιμοποιείται από βακτήρια για να αμυνθεί από τους ιούς. Περιλαμβάνει υψηλής στόχευσης γενετική τροποποίηση διαφορετικών τμημάτων του γονιδιώματος στόχου.

Στο CRISPR, οδηγός ριβονουκλεϊκό οξύ (gRNA), ένα μόριο με την ίδια αλληλουχία με τη θέση στόχο στο γονιδίωμα, συνδυάζεται στο κύτταρο ξενιστή με μια ενδονουκλεάση που ονομάζεται Cas9. Το gRNA θα συνδεθεί με την τοποθεσία DNA στόχου, σύροντας το Cas9 μαζί του. Αυτή η επεξεργασία του γονιδιώματος μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την «εξουδετέρωση» ενός κακού γονιδίου (όπως μια παραλλαγή που εμπλέκεται στην πρόκληση καρκίνου) και σε ορισμένες περιπτώσεις επιτρέπει στο κακό γονίδιο να αντικατασταθεί με μια επιθυμητή παραλλαγή.