А ген, с базовой биохимической точки зрения, представляет собой сегмент дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) внутри каждой клетки организма, несущей генетический код для сборки определенного белкового продукта. На более функциональном и динамическом уровне гены определяют, какие организмы - животные, растения, грибы и даже бактерии - и во что им суждено развиться.
Хотя на поведение генов влияют факторы окружающей среды (например, питание) и даже другие гены, состав ваших генетический материал в подавляющем большинстве случаев диктует почти все в вас, видимое и невидимое, от размера вашего тела до вашей реакции на микробных захватчиков, аллергенов и других внешних факторов.
Таким образом, способность изменять, модифицировать или конструировать гены определенным образом дает возможность создавать изящно адаптированные организмы - в том числе людей - с использованием заданных комбинаций ДНК, которые, как известно, содержат определенные гены.
Процесс изменения организма генотип (грубо говоря, сумма его отдельных генов) и, следовательно, его генетический "план" известен как
генетическая модификация. Также называемый генная инженерия, этот вид биохимического маневрирования перешел из области научной фантастики в реальность в последние десятилетия.Связанные с этим разработки вызвали как волнение по поводу перспективы улучшения здоровья и качества жизни людей, так и множество острых и неизбежных этических проблем на различных фронтах.
Генетическая модификация: определение
Генетическая модификация - это любой процесс, с помощью которого гены манипулируют, изменяют, удаляют или корректируют с целью усиления, изменения или корректировки определенных характеристик организма. Это манипуляция чертами на абсолютном корневом - или клеточном - уровне.
Подумайте о разнице между рутинной укладкой волос определенным образом и возможностью контролировать цвет, длину и общее расположение (например, прямое против курчавого) без использования каких-либо средств по уходу за волосами, вместо этого полагаясь на то, что инструкции тела относительно того, как достичь и обеспечить желаемый косметический результат, и вы получите представление о том, что такое генетическая модификация о.
Поскольку все живые организмы содержат ДНК, генная инженерия может быть применена к любым организмам, от бактерий до растений и людей.
Пока вы читаете это, область генной инженерии наполняется новыми возможностями и практиками в областях сельского хозяйства, медицины, производства и других сферах.
Чем не является генетическая модификация
Важно понимать разницу между буквально изменением генов и поведением, использующим преимущества существующего гена.
Многие гены не действуют независимо от среды, в которой живет родительский организм. Диетические привычки, стрессы различного рода (например, хронические заболевания, которые могут иметь или не иметь собственной генетической основы) и другие вещи организмы, с которыми обычно сталкиваются, могут повлиять на экспрессию генов или уровень, на котором гены используются для производства белковых продуктов, для которых они код.
Если вы из семьи людей, которые генетически склонны быть выше и тяжелее среднего, и вы стремитесь к спортивной карьере в спорте, который благоприятствует сила и размер, такие как баскетбол или хоккей, вы можете поднимать тяжести и съесть достаточное количество еды, чтобы максимизировать свои шансы быть таким же большим и сильным, как возможный.
Но это отличается от возможности вставлять новые гены в вашу ДНК, которые практически гарантируют предсказуемый уровень роста мышц и костей и, в конечном итоге, человек со всеми типичными чертами звезда спорта.
Типы генетической модификации
Существует много типов методов генной инженерии, и не все из них требуют манипуляции с генетическим материалом с использованием сложного лабораторного оборудования.
Фактически, любой процесс, связанный с активным и систематическим воздействием на организм Генофонд, или сумма генов в любой популяции, воспроизводящейся путем размножения (то есть половым путем), квалифицируется как генная инженерия. Некоторые из этих процессов, конечно, действительно находятся на переднем крае технологий.
Искусственный отбор: Искусственный отбор, также называемый простым отбором или селективным разведением, - это выбор родительских организмов с известным генотипом для производить потомство в количествах, которых не было бы, если бы природа была инженером, или, как минимум, только в течение гораздо большего времени напольные весы.
Когда фермеры или собаководы выбирают, какие растения или животных разводить, чтобы обеспечить потомство определенными характеристики, которые люди по какой-то причине находят желательными, они практикуют повседневную форму генетических модификация.
Индуцированный мутагенез: Это использование рентгеновских лучей или химических веществ для индукции мутаций (незапланированных, часто спонтанных изменений ДНК) в определенных генах или последовательностях ДНК бактерий. Это может привести к обнаружению вариантов гена, которые работают лучше (или, если необходимо, хуже), чем «нормальный» ген. Этот процесс может помочь создать новые «линии» организмов.
Мутации, хотя часто и вредные, также являются фундаментальным источником генетической изменчивости жизни на Земле. В результате, их появление в больших количествах, несомненно, приведет к созданию популяций менее приспособленных организмов, а также увеличивает вероятность полезной мутации, которая затем может быть использована в человеческих целях с использованием дополнительных техники.
Вирусные или плазмидные векторы: Ученые могут ввести ген в фаг (вирус, поражающий бактерии или их прокариотических родственников, архей) или плазмида вектор, а затем поместите модифицированную плазмиду или фаг в другие клетки, чтобы ввести новый ген в эти клетки.
Применение этих процессов включает повышение устойчивости к болезням, преодоление устойчивости к антибиотикам. и улучшение способности организма противостоять стрессовым факторам окружающей среды, таким как экстремальные температуры и токсины. В качестве альтернативы использование таких векторов может усилить существующую характеристику вместо создания новой.
Используя технологию селекции растений, можно «приказать» растению цвести чаще, или можно заставить бактерии производить белок или химическое вещество, которых они обычно не производят.
Ретровирусные векторы: Здесь части ДНК, содержащие определенные гены, помещаются в эти особые виды вирусов, которые затем переносят генетический материал в клетки другого организма. Этот материал включен в геном хозяина, чтобы они могли экспрессироваться вместе с остальной ДНК в этом организме.
Проще говоря, это включает в себя отрезание цепи ДНК хозяина с помощью специальных ферментов, вставку нового ген в промежуток, созданный срезанием и прикреплением ДНК на обоих концах гена к хозяину ДНК.
Технология «вбил-выбил»: Как следует из названия, этот тип технологии позволяет полностью или частично удалить определенные участки ДНК или определенных генов («нокаутировать»). Точно так же инженеры-люди, стоящие за этой формой генетической модификации, могут выбирать, когда и как включать («вставлять») новый участок ДНК или новый ген.
Инъекция генов в зарождающиеся организмы: Инъекция генов или векторов, содержащих гены, в яйца (ооциты) может включать новые гены в геном развивающегося эмбриона, которые, следовательно, экспрессируются в организме, который в конечном итоге полученные результаты.
Клонирование гена
Клонирование генов представляет собой пример использования плазмидных векторов. Плазмиды, представляющие собой кольцевые фрагменты ДНК, извлекаются из бактериальной или дрожжевой клетки. Ферменты рестрикции, которые представляют собой белки, которые «разрезают» ДНК в определенных местах вдоль молекулы, используются, чтобы разрезать ДНК, создавая линейную цепь из кольцевой молекулы. Затем ДНК желаемого гена «вставляется» в плазмиду, которая вводится в другие клетки.
Наконец, эти клетки начинают считывать и кодировать ген, искусственно добавленный к плазмиде.
Связанное содержание: Определение, функция, структура РНК
Клонирование гена включает четыре основных этапа. В следующем примере ваша цель - создать штамм Э. кишечная палочка бактерии, светящиеся в темноте. (Обычно, конечно, эти бактерии не обладают этим свойством; если бы они это сделали, такие места, как канализационные системы мира и многие из его естественных водотоков, приняли бы совершенно иной характер, поскольку Э. кишечная палочка распространены в желудочно-кишечном тракте человека.)
1. Выделите желаемую ДНК. Во-первых, вам нужно найти или создать ген, который кодирует белок с требуемым свойством - в данном случае светящимся в темноте. Некоторые медузы производят такие белки, и ответственный за это ген был идентифицирован. Этот ген называется целевая ДНК. При этом необходимо определить, какую плазмиду вы будете использовать; это вектор ДНК.
2. Расщепьте ДНК с помощью рестрикционных ферментов. Эти вышеупомянутые белки, также называемые эндонуклеазы рестрикции, многочисленны в бактериальном мире. На этом этапе вы используете одну и ту же эндонуклеазу для разрезания как целевой ДНК, так и векторной ДНК.
Некоторые из этих ферментов пересекают обе нити молекулы ДНК, в то время как в других случаях они делают «ступенчатый» разрез, оставляя небольшие участки одноцепочечной ДНК открытыми. Последние называются липкие концы.
3. Объедините целевую ДНК и векторную ДНК. Теперь вы соединяете два типа ДНК вместе с ферментом под названием ДНК-лигаза, который действует как сложный вид клея. Этот фермент обращает работу эндонуклеаз, соединяя концы молекул вместе. В результате химера, или нить рекомбинантная ДНК.
- Человеческий инсулин, среди многих других жизненно важных химических веществ, может быть получен с использованием рекомбинантной технологии.
4. Введите рекомбинантную ДНК в клетку-хозяин. Теперь у вас есть нужный ген и способ доставить его туда, где он принадлежит. Есть несколько способов сделать это, среди них трансформация, в котором так называемые компетентные клетки подметают новую ДНК, и электропорация, в котором импульс электричества используется для кратковременного разрушения клеточной мембраны, позволяя молекуле ДНК проникнуть в клетку.
Примеры генетической модификации
Искусственный отбор: Заводчики собак могут выбирать по разным признакам, особенно по цвету шерсти. Если заводчик лабрадоров-ретриверов видит рост спроса на данный окрас породы, он может систематически разводить собак этого окраса.
Генная терапия: У кого-то с дефектным геном копия рабочего гена может быть введена в клетки этого человека, чтобы необходимый белок мог быть получен с использованием чужеродной ДНК.
ГМ-культуры: Методы земледелия с генетической модификацией могут использоваться для создания генетически модифицированных (ГМ) культур, таких как устойчивые к гербицидам растения, культуры, дающие больше плодов. по сравнению с традиционной селекцией, ГМ-растения, устойчивые к холоду, культуры с улучшенным общим урожаем, продукты с более высокой питательной ценностью и т. д. на.
В более широком смысле, в 21 веке генетически модифицированные организмы (ГМО) превратились в горячую кнопку в мире. Европейские и американские рынки из-за проблем безопасности пищевых продуктов и деловой этики, связанных с генетической модификацией. сельскохозяйственных культур.
Генетически модифицированные животные: Одним из примеров ГМ-кормов в животноводстве является разведение цыплят, которые становятся крупнее и быстрее, чтобы производить больше грудки. Подобные методы использования технологии рекомбинантной ДНК вызывают этические проблемы из-за боли и дискомфорта, которые они могут причинить животным.
Редактирование генов: Примером редактирования генов или редактирования генома является CRISPR, или же сгруппированные через регулярные промежутки короткие палиндромные повторы. Этот процесс «заимствован» из метода, используемого бактериями для защиты от вирусов. Он включает в себя целенаправленную генетическую модификацию различных частей целевого генома.
В CRISPR направляющая рибонуклеиновая кислота (гРНК), молекула с той же последовательностью, что и целевой сайт в геноме, комбинируется в клетке-хозяине с эндонуклеазой, называемой Cas9. ГРНК будет связываться с целевым участком ДНК, увлекая за собой Cas9. Это редактирование генома может привести к «выбиванию» плохого гена (например, варианта, вызывающего рак), и в некоторых случаях позволяет заменить плохой ген желаемым вариантом.