שינוי גנטי: הגדרה, סוגים, תהליך, דוגמאות

א גֵן, מנקודת מבט ביוכימית בסיסית, הוא קטע של חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA) בתוך כל תא של אורגניזם הנושא את הקוד הגנטי להרכבת מוצר חלבון מסוים. ברמה פונקציונלית ודינמית יותר, גנים קובעים מהם אורגניזמים - בעלי חיים, צמחים, פטריות ואפילו חיידקים - ולמה הם נועדו להתפתח.

בעוד שהתנהגות הגנים מושפעת מגורמים סביבתיים (למשל, תזונה) ואפילו מגנים אחרים, ההרכב שלך חומר גנטי מכתיב באופן גורף כמעט כל מה שקשור אליך, גלוי ובלתי נראה, מגודל גופך ועד תגובתך לפולשים מיקרוביאליים, אלרגנים וסוכנים חיצוניים אחרים.

היכולת לשנות, לשנות או להנדס גנים בדרכים ספציפיות תציג אפוא את האפשרות להיות מסוגלים ליצור אורגניזמים המותאמים להפליא - כולל בני אדם - תוך שימוש בשילובים נתונים של DNA הידועים כמכילים מסוימים גנים.

תהליך שינוי של אורגניזם גנוטיפ (באופן רופף, סכום הגנים האינדיבידואליים שלו) ומכאן ש"התכנית "הגנטית שלה ידועה בשם שינוי גנטי. המכונה גם הנדסה גנטית, סוג זה של תמרון ביוכימי עבר מתחום המדע הבדיוני למציאות בעשורים האחרונים.

התפתחויות נלוות הובילו את ההתרגשות גם מהאפשרות לשפר את בריאות האדם ואת איכות החיים וגם שורה של נושאים אתיים קוצניים ובלתי נמנעים בחזיתות שונות.

שינוי גנטי הוא כל תהליך שבאמצעותו מתבצע מניפולציה, שינוי, מחיקה או התאמה של גנים במטרה להגביר, לשנות או להתאים מאפיין מסוים של אורגניזם. זהו מניפולציה של תכונות ברמה המוחלטת - או בתא הסלולרי.

שקול את ההבדל בין לעצב את השיער באופן שגרתי בצורה מסוימת לבין היכולת לשלוט בצבע השיער, באורך ובשיער שלך סידור כללי (למשל, ישר לעומת מתולתל) ללא שימוש במוצרי טיפוח שיער, במקום להסתמך על מתן רכיבים בלתי נראים של הוראות גוף בנוגע לאופן ההגעה וההבטחה של תוצאה קוסמטית רצויה, ותקבל תחושה מהו כל שינוי גנטי על אודות.

מכיוון שכל האורגניזמים החיים מכילים DNA, ניתן לבצע הנדסה גנטית על כל האורגניזמים, החל מחיידקים ועד צמחים ועד לבני אדם.

כשאתה קורא את זה, תחום ההנדסה הגנטית צומח באפשרויות ופרקטיקות חדשות בתחומי החקלאות, הרפואה, הייצור ותחומים אחרים.

חשוב להבין את ההבדל בין שינוי גנים תרתי משמע לבין התנהגות באופן שמנצל גן קיים.

גנים רבים אינם פועלים ללא תלות בסביבה בה אורגניזם ההורה חי. הרגלים תזונתיים, לחצים מסוגים שונים (למשל, מחלות כרוניות, שעשויות להיות בסיס גנטי משלהם או לא) ודברים אחרים אורגניזמים מתמודדים באופן שגרתי יכולים להשפיע על ביטוי גנים, או על הרמה אליה משתמשים בגנים לייצור מוצרי החלבון שעבורם הם קוד.

אם אתם מגיעים ממשפחה של אנשים שנוטים גנטית להיות גבוהים וכבדים מהממוצע, ואתם שואפים לקריירה אתלטית בספורט שמעדיף כוח וגודל כמו כדורסל או הוקי, אתה יכול להרים משקולות ולאכול כמות חזקה של אוכל כדי למקסם את הסיכויים שלך להיות גדולים וחזקים כמו אפשרי.

אבל זה שונה מהיכולת להכניס גנים חדשים ל- DNA שלך שמבטיחים למעשה רמה צפויה של צמיחת שרירים ועצמות, ובסופו של דבר, אדם עם כל התכונות האופייניות של כוכב ספורט.

קיימים סוגים רבים של טכניקות הנדסה גנטית, ולא כולן דורשות מניפולציה של חומר גנטי באמצעות ציוד מעבדה מתוחכם.

למעשה, כל תהליך הכרוך במניפולציה אקטיבית ושיטתית של אורגניזם מאגר גנים, או סכום הגנים בכל אוכלוסייה שמתרבה על ידי רבייה (כלומר מינית), כשיר להנדסה גנטית. חלק מתהליך זה, כמובן, אכן נמצא בחוד החנית של הטכנולוגיה.

מבחר מלאכותי: נקרא גם סלקציה פשוטה או גידול סלקטיבי, סלקציה מלאכותית היא בחירה של אורגניזמים הורים עם גנוטיפ ידוע לייצר צאצאים בכמויות שלא היו מתרחשות אם הטבע לבדו היה המהנדס, או לכל הפחות היה מתרחש רק לאורך זמן רב בהרבה מאזניים.

כאשר חקלאים או מגדלי כלבים בוחרים אילו צמחים או בעלי חיים לגדל כדי להבטיח צאצאים בוודאות מאפיינים שבני אדם מוצאים רצויים משום מה, הם מתרגלים צורה גנטית יומיומית שינוי.

מוטגנזה מושרה: זהו השימוש בצילומי רנטגן או כימיקלים כדי לגרום למוטציות (שינויים לא מתוכננים, לעתים קרובות ספונטניים ל- DNA) בגנים ספציפיים או ברצפי DNA של חיידקים. זה יכול לגרום לגילוי גרסאות גנים שמביאות ביצועים טובים יותר (או במידת הצורך, גרועות יותר) מהגן "הרגיל". תהליך זה יכול לסייע ביצירת "קווים" חדשים של אורגניזמים.

מוטציות, אף שלעתים קרובות מזיקות, הן גם המקור הבסיסי לשונות גנטית בחיים על כדור הארץ. כתוצאה מכך, גורם להם בכמויות גדולות, בעוד שהם בטוחים ליצור אוכלוסיות של אורגניזמים פחות מתאימים מגדיל את הסבירות למוטציה מועילה, אשר ניתן לנצל למטרות אנושיות באמצעות תוספות נוספות טכניקות.

וקטורים ויראליים או פלסמידים: מדענים יכולים להכניס גן לפאג '(נגיף המדביק חיידקים או קרובי משפחתם הפרוקריוטים, ארכיאאה) או פלסמיד ואז למקם את הפלסמיד או הפאג שהשתנה לתאים אחרים על מנת להכניס את הגן החדש לתאים אלה.

היישומים של תהליכים אלה כוללים הגברת עמידות למחלות, התגברות על עמידות לאנטיביוטיקה ושיפור יכולתו של אורגניזם להתנגד ללחצים סביבתיים כגון קיצוני טמפרטורה ו רעלים. לחלופין, השימוש בווקטורים כאלה יכול להגביר מאפיין קיים במקום ליצור אחד חדש.

באמצעות טכנולוגיית גידול צמחים ניתן "להזמין" צמח לפרוח בתדירות גבוהה יותר, או לחולל חיידקים לייצר חלבון או כימיקל שבדרך כלל לא היו עושים.

וקטורים רטרו-ויראליים: כאן, חלקים של DNA המכילים גנים מסוימים מוחדרים לסוגים מיוחדים אלה של נגיפים, המעבירים את החומר הגנטי לתאי אורגניזם אחר. חומר זה משולב בגנום המארח כך שהם יכולים להתבטא יחד עם שאר ה- DNA באותו אורגניזם.

במילים פשוטות, זה כולל חיתוך של גדיל DNA מארח באמצעות אנזימים מיוחדים, והחדרת החדש הגן לתוך הפער שנוצר על ידי החיתוך והצמדת ה- DNA בשני קצות הגן למארח DNA.

טכנולוגיית "דופקים, דופקים": כשמו כן הוא, סוג זה של טכנולוגיה מאפשר מחיקה מלאה או חלקית של חלקים מסוימים של DNA או גנים מסוימים ("לדפוק"). בקווים דומים, המהנדסים האנושיים העומדים מאחורי צורה זו של שינוי גנטי יכולים לבחור מתי וכיצד להפעיל ("לדפוק") קטע חדש של DNA או גן חדש.

הזרקת גנים לאורגניזמים המתהווים: הזרקת גנים או וקטורים המכילים גנים לביציות (ביציות) יכולה לשלב את הגנים החדשים בתוכם הגנום של העובר המתפתח, המתבטאים לכן באורגניזם שבסופו של דבר תוצאות.

שיבוט גנים הוא דוגמה לשימוש בווקטורי פלסמיד. פלסמידים, שהם חלקים עגולים של DNA, מופקים מתא חיידקי או שמרים. אנזימי הגבלה, שהם חלבונים ש"חותכים "דנ"א במקומות ספציפיים לאורך המולקולה, משמשים לגזירת הדנ"א, ויוצרים קווצה לינארית מהמולקולה המעגלית. לאחר מכן, ה- DNA של הגן הרצוי "מודבק" לפלסמיד, שמוחדר לתאים אחרים.

לבסוף, תאים אלה מתחילים לקרוא ולקודד את הגן שנוסף באופן מלאכותי לפלסמיד.

תוכן קשור: הגדרת RNA, פונקציה, מבנה

שיבוט גנים כולל ארבעה שלבים בסיסיים. בדוגמה הבאה, המטרה שלך היא לייצר זן של ה קולי חיידקים הזוהרים בחושך. (בדרך כלל, כמובן, חיידקים אלה אינם בעלי תכונה זו; אם כן, מקומות כמו מערכות הביוב בעולם ורבות ממסלולי המים הטבעיים שלה יקבלו אופי שונה לחלוטין ה קולי נפוצים במערכת העיכול האנושית.)

1. בידוד את ה- DNA הרצוי. ראשית, עליך למצוא או ליצור גן המקודד חלבון עם המאפיין הנדרש - במקרה זה, זוהר בחושך. מדוזות מסוימות מייצרות חלבונים כאלה, והגן האחראי זוהה. גן זה נקרא יעד DNA. יחד עם זאת, עליך לקבוע באיזה פלסמיד תשתמש; זה DNA וקטורי.

2. שקע את ה- DNA באמצעות אנזימי הגבלה. חלבונים אלה כאמור, נקראים גם אנדונוקליזות הגבלה, יש בשפע בעולם החיידקים. בשלב זה, אתה משתמש באותו אנדונוקלאז כדי לחתוך את ה- DNA היעד ואת ה- DNA הווקטורי.

חלק מהאנזימים הללו חותכים ישר על פני שני גדילי מולקולת ה- DNA, בעוד שבמקרים אחרים הם מבצעים חתך "סטנדרטי" ומשאירים אורכים קטנים של DNA חד-גדילי חשופים. האחרונים נקראים קצוות דביקים.

3. שלב את ה- DNA היעד ואת ה- DNA הווקטורי. עכשיו אתה שם את שני סוגי ה- DNA יחד עם אנזים שנקרא ליגאז DNA, שמתפקד כסוג מורכב של דבק. אנזים זה הופך את עבודתם של האנדו-גרעינים על ידי חיבור קצות המולקולות. התוצאה היא א חֲזוֹן תַעתוּעִים, או קווצה של DNA רקומביננטי.

• אינסולין אנושי, בין כימיקלים חיוניים רבים אחרים, ניתן לייצר באמצעות טכנולוגיה רקומביננטית.

4. הכניסו את ה- DNA רקומביננטי לתא המארח. עכשיו, יש לך את הגן שאתה צריך ואמצעי להעביר אותו לאן שהוא שייך. ישנן מספר דרכים לעשות זאת, ביניהן טרנספורמציה, שבו מה שמכונה תאים מוכשרים גורפים את ה- DNA החדש, ו אלקטרופורציה, שבו משתמשים בדופק חשמל לשיבוש קצר של קרום התא כדי לאפשר למולקולת ה- DNA להיכנס לתא.

מבחר מלאכותי: מגדלי כלבים יכולים לבחור תכונות שונות, בעיקר צבע המעיל. אם מגדל נתון של רטריבר לברדור רואה עלייה בביקוש לצבע מסוים של הגזע, הוא או היא יכולים להתרבות באופן שיטתי עבור הצבע המדובר.

טיפול גנטי: אצל מישהו עם גן פגום, ניתן להכניס עותק של הגן העובד לתאי אותו אדם, כך שניתן יהיה להכין את החלבון הנדרש באמצעות DNA זר.

גידולי GM: ניתן להשתמש בשיטות חקלאיות לשינוי גנטי ליצירת גידולים מהונדסים (GM) כגון צמחים עמידים לקוטלי עשבים, גידולים שמניבים יותר פירות בהשוואה לגידול קונבנציונאלי, צמחי GM שעמידים לקור, גידולים עם תפוקת קציר כוללת משופרת, מזונות בעלי ערך תזונתי גבוה יותר וכן הלאה. עַל.

באופן רחב יותר, במאה ה -21 אורגניזמים מהונדסים גנטית (GMO) פרחו לסוגיית כפתור חם ב השווקים באירופה ובאמריקה הן בשל חששות בנושא בטיחות מזון והן אתיקה עסקית סביב השינוי הגנטי של יבולים.

בעלי חיים מהונדסים גנטית: אחת הדוגמאות למאכלים גנטיים בעולם החי היא גידול תרנגולות הגדלות ומהירות יותר לייצור יותר בשר חזה. פרקטיקות טכנולוגיות DNA רקומביננטיות כגון אלה מעוררות חששות אתיים בגלל הכאב ואי הנוחות שהם עלולים לגרום לבעלי החיים.

עריכת גנים: דוגמה לעריכת גנים, או עריכת גנום, היא CRISPR, או מקובצים על חזרות קצרות פלינדרומיות מרווחות באופן קבוע. תהליך זה "מושאל" משיטה בה משתמשים חיידקים להגנת עצמם מפני וירוסים. זה כרוך בשינוי גנטי ממוקד ביותר של חלקים שונים בגנום היעד.

ב- CRISPR, מדריך חומצה ריבונוקלאית (gRNA), מולקולה עם אותו רצף כמו אתר היעד בגנום, משולבת בתא המארח עם אנדונוקליז הנקרא Cas9. ה- gRNA ייקשר לאתר ה- DNA היעד, ויגרור את Cas9 יחד איתו. עריכת גנום זו עלולה לגרום ל"דפקת "גן רע (כגון גרסה המעורבת בגרימת סרטן) ובמקרים מסוימים לאפשר להחליף את הגן הגרוע לווריאציה רצויה.