Geneetiline muundamine: määratlus, tüübid, protsess, näited

A geen, põhilisest biokeemilisest vaatepunktist on desoksüribonukleiinhape (DNA) organismi igas rakus, mis kannab konkreetse valguprodukti kokkupaneku geneetilist koodi. Funktsionaalsemal ja dünaamilisemal tasandil määravad geenid kindlaks, millised organismid - loomad, taimed, seened ja isegi bakterid - on ja milleks nad on määratud arenema.

Kui geenide käitumist mõjutavad keskkonnategurid (nt toitumine) ja isegi muud geenid, siis teie koostis geneetiline materjal dikteerib valdavalt peaaegu kõike nähtavat ja nähtamatut teie keha suurusest kuni reaktsioonini mikroobide sissetungijatele, allergeenidele ja muudele välistele mõjuritele.

Võimalus geene konkreetsetel viisidel muuta, modifitseerida või konstrueerida võimaldaks seega võimaluse seda teha luua peenelt kohandatud organisme - sealhulgas inimesi - kasutades selleks teadaolevaid DNA kombinatsioone, mis teadaolevalt teatud aineid sisaldavad geenid.

Organismi muutmise protsess genotüüp (vabalt öeldes selle üksikute geenide summa) ja seega ka tema geneetiline "plaan" on tuntud kui

Sellega seotud arengud on haaranud nii põnevust inimeste tervise ja elukvaliteedi parandamise väljavaates kui ka mitmetel teravatel ja vältimatutel eetilistel teemadel erinevatel rindel.

Geneetiline muundamine on mis tahes protsess, mille käigus geene manipuleeritakse, muudetakse, kustutatakse või kohandatakse organismi teatud omaduste võimendamiseks, muutmiseks või kohandamiseks. See on tunnustega manipuleerimine absoluutsel juur- ehk rakutasandil.

Mõelge erinevusele selle vahel, kuidas oma juukseid rutiinselt teatud viisil kujundada ja kas teil on tegelikult võimalik kontrollida juuste värvi, pikkust ja üldine paigutus (nt sirge või lokkis) ilma juuksehooldustoodete kasutamiseta, tuginedes selle asemel, et anda oma keha juhised selle kohta, kuidas saavutada ja tagada soovitud kosmeetiline tulemus, ning saate aimu, mis on geneetiline muundamine umbes.

Kuna kõik elusorganismid sisaldavad DNA-d, saab geenitehnoloogiat läbi viia kõigi organismidega, alates bakteritest kuni taimedeni ja lõpetades inimestega.

Seda lugedes on geenitehnoloogia valdkond kasvamas uute võimaluste ja tavadega põllumajanduse, meditsiini, tootmise ja muude valdkondade valdkonnas.

Oluline on mõista vahet sõna otseses mõttes geenide muutmisel ja käitumisel viisil, mis kasutab ära olemasolevat geeni.

Paljud geenid ei toimi sõltumatult keskkonnast, kus vanemorganism elab. Toitumisharjumused, mitmesugused stressid (nt kroonilised haigused, millel võib olla oma geneetiline alus või mitte) ja muud asjad organismid, millega rutiinselt kokku puututakse, võivad mõjutada geeniekspressiooni või taset, milleni geene kasutatakse nende valgutoodete valmistamiseks, mille jaoks nad on kood.

Kui olete pärit inimeste perekonnast, kes on geneetiliselt kaldunud olema keskmisest pikem ja raskem, ning soovite sportlasekarjääri spordialal, mis soosib tugevuse ja suurusega, näiteks korvpall või hoki, saate tõsta kaalu ja süüa jõulist kogust toitu, et maksimeerida oma võimalusi olla sama suur ja tugev kui võimalik.

Kuid see erineb võimalusest sisestada oma DNA-sse uusi geene, mis praktiliselt tagavad a lihaste ja luude kasvu prognoositav tase ja lõpuks inimene, kellel on kõik a-le iseloomulikud tunnused sporditäht.

On olemas mitut tüüpi geenitehnoloogia tehnikaid ja mitte kõik neist ei vaja geneetilise materjaliga manipuleerimist keerukate laboriseadmete abil.

Tegelikult on igasugune protsess, mis hõlmab organismi aktiivset ja süstemaatilist manipuleerimist geenivaramuvõi mis tahes populatsiooni geenide summa, mis paljuneb paljunemise teel (st sugulisel teel), kvalifitseerub geenitehnoloogiaks. Mõni neist protsessidest on muidugi tehnoloogia tipptasemel.

Kunstlik valik: Kunstlik selektsioon, mida nimetatakse ka lihtsaks selektsiooniks või selektiivseks paljunemiseks, on teadaoleva genotüübiga algorganismide valimine toota järglasi kogustes, mida ei tekiks, kui inseneriks oleks ainult loodus, või minimaalselt ainult palju kauem kaalud.

Kui talupidajad või koerakasvatajad valivad, milliseid taimi või loomi aretada, et kindlustada järglasi kindlalt omadused, mida inimesed peavad mingil põhjusel soovitavaks, harjutavad nad igapäevast geneetilist vormi muutmine.

Esilekutsutud mutagenees: See on röntgenkiirte või kemikaalide kasutamine mutatsioonide (DNA planeerimata, sageli spontaansete muutuste) esilekutsumiseks spetsiifilistes bakterite geenides või DNA järjestustes. Selle tulemuseks võib olla geenivariantide avastamine, mis toimivad paremini (või vajadusel halvemini) kui “normaalne” geen. See protsess võib aidata luua uusi organismide "ridu".

Kuigi mutatsioonid on sageli kahjulikud, on see ka Maa elu geneetilise varieeruvuse peamine allikas. Selle tagajärjel tekitab neid ka arvukalt, tekitades samas ka vähemkõlblike organismide populatsioone suurendab kasuliku mutatsiooni tõenäosust, mida saab seejärel inimese jaoks ära kasutada, kasutades täiendavaid tehnikaid.

Viirus- või plasmiidvektorid: Teadlased saavad geeni viia faagisse (viirus, mis nakatab baktereid või nende prokarüootseid sugulasi Archaea) või plasmiid vektor ja seejärel asetage modifitseeritud plasmiid või faag teistesse rakkudesse, et sisestada nendesse rakkudesse uus geen.

Nende protsesside rakendused hõlmavad resistentsuse suurenemist haiguste vastu, antibiootikumiresistentsuse ületamist ja parandades organismi võimet seista vastu keskkonnastressoritele nagu äärmuslikud temperatuurid ja toksiinid. Alternatiivina võib selliste vektorite kasutamine uue loomise asemel võimendada olemasolevat omadust.

Taimekasvatustehnoloogia abil saab taime "tellida" sagedamini õitsema või kutsuda bakterid tootma valku või kemikaali, mida nad tavaliselt ei teeks.

Retroviiruslikud vektorid: Siin pannakse teatud tüüpi geene sisaldavad DNA osad sellist tüüpi viirustesse, mis seejärel transpordivad geneetilist materjali teise organismi rakkudesse. See materjal inkorporeeritakse peremeesorganismi genoomi, et neid saaks ekspresseerida koos ülejäänud organismi DNA-ga.

Selgesõnaliselt tähendab see peremees-DNA ahela lõikamist spetsiaalsete ensüümide abil, uue sisestamine geeni lõhe tekitamise ja DNA kinnitamisega peremeesorganismi külge tekkinud lõhe DNA.

"Koputage, koputage" tehnoloogia: Nagu nimigi ütleb, võimaldab seda tüüpi tehnoloogia teatud DNA osade või teatud geenide täieliku või osalise kustutamise ("koputama"). Sarnaselt võivad selle geneetilise muundamise vormi taga olevad iniminsenerid valida, millal ja kuidas uus DNA osa või uus geen sisse lülitada ("sisse koputada").

Geenide süstimine tekkivatesse organismidesse: Geene sisaldavate geenide või vektorite munarakkudesse (munarakkudesse) süstimine võib lisada uusi geene areneva embrüo genoom, mis seetõttu avaldub organismis, mis lõpuks tulemused.

Geenide kloonimine on näide plasmiidvektorite kasutamisest. Plasmiidid, mis on ümmargused DNA tükid, ekstraheeritakse bakteri- või pärmirakust. Piiravad ensüümid, mis on valgud, mis „lõikavad” DNA piki molekuli teatud kohtades, kasutatakse DNA lõikamiseks, luues ringmolekulist lineaarse ahela. Seejärel "kleebitakse" soovitud geeni DNA plasmiidi, mis sisestatakse teistesse rakkudesse.

Lõpuks hakkavad need rakud lugema ja kodeerima plasmiidile kunstlikult lisatud geeni.

Seotud sisu: RNA määratlus, funktsioon, struktuur

Geenikloonimine hõlmab nelja põhietappi. Järgmises näites on teie eesmärk tekitada tüvi E. coli pimedas helendavad bakterid. (Tavaliselt neil omadustel seda omadust muidugi pole; kui nad seda teeksid, omandaksid sellised kohad nagu maailma kanalisatsioonisüsteemid ja paljud selle looduslikud veeteed selgelt erineva iseloomu E. coli on inimese seedetraktis levinud.)

1. Isoleerige soovitud DNA. Esiteks peate leidma või looma geeni, mis kodeerib vajaliku omadusega valku - antud juhul hämaras helendavat. Teatud meduusid toodavad selliseid valke ja vastutav geen on tuvastatud. Seda geeni nimetatakse sihtmärgi DNA. Samal ajal peate määrama, millist plasmiidi kasutate; see on vektor-DNA.

2. Lõigake DNA restriktsiooniensüümide abil. Need eelmainitud valgud, mida nimetatakse ka restriktsiooni endonukleaasid, on bakterimaailmas palju. Selles etapis kasutate sama siht-DNA ja vektori DNA lõikamiseks sama endonukleaasi.

Mõned neist ensüümidest lõikuvad otse DNA molekuli mõlemas ahelas, samal ajal kui muudel juhtudel teevad nad "järk-järgult" lõike, jättes väikese pikkusega üheahelalise DNA. Viimaseid nimetatakse kleepuvad otsad.

3. Ühendage siht-DNA ja vektor-DNA. Nüüd panite need kaks DNA tüüpi koos ensüümiga, mida nimetatakse DNA ligaas, mis toimib keeruka liimina. See ensüüm muudab endonukleaaside töö vastupidiseks, ühendades molekulide otsad omavahel. Tulemuseks on a kimäärvõi selle osa rekombinantne DNA.

• Iniminsuliini saab paljude teiste elutähtsate kemikaalide kõrval valmistada rekombinantse tehnoloogia abil.

4. Sisestage rekombinantne DNA peremeesrakku. Nüüd on teil olemas vajalik geen ja vahend selle paigutamiseks sinna, kuhu see kuulub. Nende seas on mitmeid viise muutumine, kus nn pädevad rakud pühivad uue DNA üles ja elektroporatsioon, kus raku membraani lühiajaliseks häirimiseks kasutatakse elektriimpulsi, et võimaldada DNA molekulil rakku siseneda.

Kunstlik valik: Koerakasvatajad saavad valida erinevate tunnuste, eriti karvkatte värvi järgi. Kui antud labradori retriiverite aretaja näeb tõu antud värvi järele nõudluse kasvu, saab ta kõnealuse värvi jaoks süstemaatiliselt aretada.

Geeniteraapia: Puuduliku geeniga inimesel võib selle inimese rakkudesse viia töötava geeni koopia, nii et võõra DNA abil saab valmistada vajaliku valgu.

GM kultuurid: Geneetiliselt muundatud põllumajandusmeetodeid saab kasutada geneetiliselt muundatud (GM) põllukultuuride, näiteks herbitsiidiresistentsete taimede, rohkem vilja andvate kultuuride loomiseks võrreldes tavapärase aretusega on külmakindlad geneetiliselt muundatud taimed, parema saagikuse saagikusega põllukultuurid, suurema toiteväärtusega toidud ja nii peal.

Laiemas plaanis on 21. sajandil geneetiliselt muundatud organismid (GMO-d) Euroopa toiduaineturul ja Ameerika turgudel, nii toiduohutuse kui ka ärieetika probleemide tõttu, mis on seotud geneetilise muundamisega kultuuridest.

Geneetiliselt muundatud loomad: Üks näide geneetiliselt muundatud toiduainetest loomakasvatusmaailmas on kanade kasvatamine, kes kasvavad suuremaks ja kiiremini, et toota rohkem rinnaliha. Sellised rekombinantse DNA tehnoloogia praktikad tekitavad eetilisi probleeme valude ja ebamugavuste tõttu, mida see võib loomadele tekitada.

Geenide redigeerimine: Geenitöötluse ehk genoomi redigeerimise näide on CRISPRvõi rühmitatud regulaarselt vahepealsete lühikeste palindromiliste kordustega. See protsess on "laenatud" meetodilt, mida bakterid kasutavad viiruste eest kaitsmiseks. See hõlmab sihtgenoomi erinevate osade väga suunatud geneetilist modifitseerimist.

CRISPR-is juhend ribonukleiinhape (gRNA), molekul, millel on sama järjestus kui genoomi sihtsaidil, kombineeritakse peremeesrakus endonukleaasiga, mida nimetatakse Cas9-ks. GRNA seondub DNA sihtmärgikohaga, lohistades Cas9 koos sellega. Selle genoomi redigeerimise tulemuseks võib olla halva geeni (näiteks vähi tekitamisega seotud variandi) "koputamine" ja mõnel juhul lubada halva geeni asendamine soovitava variandiga.