Genmodifiering: Definition, typer, process, exempel

A gen, ur en grundläggande biokemisk synvinkel, är ett segment av deoxiribonukleinsyra (DNA) inuti varje cell i en organism som bär den genetiska koden för att samla en viss proteinprodukt. På en mer funktionell och dynamisk nivå bestämmer gener vad organismer - djur, växter, svampar och till och med bakterier - är och vad de är avsedda att utvecklas till.

Medan genernas beteende påverkas av miljöfaktorer (t.ex. näring) och till och med av andra gener, är kompositionen av din genetiskt material dikterar överväldigande nästan allt om dig, synlig och osynlig, från kroppens storlek till ditt svar på mikrobiella inkräktare, allergener och andra externa medel.

Förmågan att ändra, modifiera eller konstruera gener på specifika sätt skulle därför introducera möjligheten att kunna skapa utsökt skräddarsydda organismer - inklusive människor - med hjälp av givna kombinationer av DNA som är kända för att innehålla vissa gener.

Processen att förändra en organism genotyp (löst sagt summan av dess enskilda gener) och därmed dess genetiska "ritning" är känd som

Den tillhörande utvecklingen har lett till både spänningen över utsikterna till att förbättra människors hälsa och livskvalitet och en mängd taggiga och oundvikliga etiska frågor på olika fronter.

Genetisk modifikation är vilken process som helst genom vilka gener manipuleras, ändras, raderas eller justeras för att förstärka, ändra eller justera en viss egenskap hos en organism. Det är manipulation av egenskaper på den absoluta rot - eller cellulära - nivån.

Tänk på skillnaden mellan att rutinmässigt styla håret på ett visst sätt och faktiskt kunna kontrollera hårets färg, längd och allmänt arrangemang (t.ex. rakt mot lockigt) utan att använda hårvårdsprodukter, istället förlita sig på att ge osynliga komponenter i din kroppsinstruktioner om hur man åstadkommer och säkerställer ett önskat kosmetiskt resultat, och du får en känsla av vad genetisk modifiering är allt handla om.

Eftersom alla levande organismer innehåller DNA kan genteknik utföras på alla organismer, från bakterier till växter till människor.

När du läser detta växer området genteknik med nya möjligheter och metoder inom områdena jordbruk, medicin, tillverkning och andra områden.

Det är viktigt att förstå skillnaden mellan att bokstavligen förändra gener och att uppträda på ett sätt som utnyttjar en befintlig gen.

Många gener fungerar inte oberoende av den miljö där moderorganismen lever. Kostvanor, stress av olika slag (t.ex. kroniska sjukdomar, som kanske eller inte kan ha en egen genetisk bas) och andra saker organismer som rutinmässigt konfronterar kan påverka genuttryck eller nivån till vilken gener används för att tillverka de proteinprodukter som de är för koda.

Om du kommer från en familj av människor som är genetiskt benägna att vara högre och tyngre än genomsnittet, och du strävar efter en atletisk karriär i en sport som gynnar styrka och storlek som basket eller hockey kan du lyfta vikter och äta en robust mängd mat för att maximera dina chanser att bli så stora och starka som möjlig.

Men detta skiljer sig från att kunna infoga nya gener i ditt DNA som praktiskt taget garanterar a förutsägbar nivå av muskel- och bentillväxt och i slutändan en människa med alla de typiska egenskaperna hos a Sport stjärna.

Många typer av genteknik finns och inte alla kräver manipulation av genetiskt material med hjälp av sofistikerad laboratorieutrustning.

I själva verket, varje process som involverar en aktiv och systematisk manipulation av en organism genpool, eller summan av generna i någon population som reproducerar genom avel (dvs. sexuellt), kvalificeras som genteknik. Några av dessa processer är naturligtvis i framkant av tekniken.

Konstgjort urval: Även kallat enkelt urval eller selektiv avel, artificiellt urval är valet av förälderorganismer med en känd genotyp till producera avkomma i mängder som inte skulle inträffa om naturen ensam var ingenjör, eller åtminstone bara skulle inträffa över mycket längre tid skalor.

När jordbrukare eller hunduppfödare väljer vilka växter eller djur som ska föda upp för att försäkra avkomman med säkerhet egenskaper människor tycker är önskvärda av någon anledning, utövar de en vardaglig form av genetisk modifiering.

Inducerad mutagenes: Detta är användningen av röntgenstrålar eller kemikalier för att inducera mutationer (oplanerade, ofta spontana förändringar av DNA) i specifika gener eller DNA-sekvenser av bakterier. Det kan leda till att man upptäcker genvarianter som fungerar bättre (eller vid behov sämre) än den ”normala” genen. Denna process kan hjälpa till att skapa nya "linjer" av organismer.

Mutationer, även om de ofta är skadliga, är också den grundläggande källan till genetisk variation i livet på jorden. Som ett resultat, att inducera dem i stort antal, medan vissa skapar populationer av mindre passande organismer också ökar sannolikheten för en fördelaktig mutation, som sedan kan utnyttjas för mänskliga ändamål med hjälp av ytterligare tekniker.

Virus- eller plasmidvektorer: Forskare kan införa en gen i en fag (ett virus som infekterar bakterier eller deras prokaryota släktingar, Archaea) eller en plasmid och placera sedan den modifierade plasmiden eller fagen i andra celler för att introducera den nya genen i dessa celler.

Tillämpningar av dessa processer inkluderar ökad resistens mot sjukdomar, övervinnande av antibiotikaresistens och förbättra en organisms förmåga att motstå miljöbelastningar såsom extrema temperaturer och toxiner. Alternativt kan användningen av sådana vektorer förstärka en befintlig egenskap istället för att skapa en ny.

Med hjälp av växtförädlingsteknik kan en växt "beordras" att blomma oftare, eller så kan bakterier induceras producera ett protein eller kemikalie som de normalt inte skulle göra.

Retrovirala vektorer: Här placeras delar av DNA som innehåller vissa gener i dessa speciella typer av virus, som sedan transporterar det genetiska materialet till cellerna i en annan organism. Detta material inkorporeras i värdgenomet så att de kan uttryckas tillsammans med resten av DNA i organismen.

I enkla termer innebär detta att klippa en del av värd-DNA med hjälp av speciella enzymer och infoga den nya genen i gapet som skapas genom att klippa och fästa DNA i båda ändarna av genen till värden DNA.

"Knock in, knock out" -teknologi: Som namnet antyder tillåter denna typ av teknik fullständig eller partiell radering av vissa delar av DNA eller vissa gener ("knock out"). På samma sätt kan de mänskliga ingenjörerna bakom denna form av genetisk modifiering välja när och hur man ska sätta på ("slå in") ett nytt avsnitt av DNA eller en ny gen.

Injektion av gener i växande organismer: Injicering av gener eller vektorer som innehåller gener i ägg (äggceller) kan införliva de nya generna i genomet av det utvecklande embryot, som därför uttrycks i organismen som så småningom resultat.

Genkloning är ett exempel på användningen av plasmidvektorer. Plasmider, som är cirkulära DNA-bitar, extraheras från en bakterie- eller jästcell. Restriktionsenzymer, som är proteiner som "skär" DNA på specifika platser längs molekylen, används för att klippa DNA, vilket skapar en linjär tråd från den cirkulära molekylen. Därefter "klistras" DNA för den önskade genen in i plasmiden, som införs i andra celler.

Slutligen börjar dessa celler läsa och koda genen som artificiellt tillsattes plasmiden.

Relaterat innehåll: RNA-definition, funktion, struktur

Genkloning innehåller fyra grundläggande steg. I följande exempel är ditt mål att producera en stam av E. coli bakterier som lyser i mörkret. (Vanligtvis har naturligtvis dessa bakterier inte den här egenskapen; om de gjorde det, skulle platser som världens avloppssystem och många av dess naturliga vattenvägar få en helt annan karaktär, som E. coli förekommer i mags tarmkanalen.)

1. Isolera önskat DNA. Först måste du hitta eller skapa en gen som kodar för ett protein med den nödvändiga egenskapen - i det här fallet glödande i mörkret. Vissa maneter gör sådana proteiner, och den ansvariga genen har identifierats. Denna gen kallas mål-DNA. Samtidigt måste du bestämma vilken plasmid du ska använda; det här är vektor-DNA.

2. Klyva DNA med hjälp av restriktionsenzymer. Dessa ovannämnda proteiner, även kallade restriktionsendonukleaser, finns rikligt i bakterievärlden. I detta steg använder du samma endonukleas för att skära både mål-DNA och vektor-DNA.

Några av dessa enzymer skär rakt över båda delarna av DNA-molekylen, medan de i andra fall gör en "förskjuten" skärning och lämnar små längder av enkelsträngat DNA utsatt. De senare kallas klibbiga ändar.

3. Kombinera mål-DNA och vektor-DNA. Du sätter nu de två typerna av DNA tillsammans med ett enzym som kallas DNA-ligas, som fungerar som en detaljerad typ av lim. Detta enzym vänder endonukleasernas arbete genom att sammanfoga ändarna av molekylerna. Resultatet är ett chimäreller en del av rekombinant DNA.

• Humant insulin, bland många andra viktiga kemikalier, kan tillverkas med hjälp av rekombinant teknik.

4. Introducera rekombinant DNA i värdcellen. Nu har du den gen du behöver och ett sätt att skicka den dit den hör hemma. Det finns ett antal sätt att göra detta, bland dem omvandling, där så kallade kompetenta celler sveper upp det nya DNA: t, och elektroporation, där en puls av elektricitet används för att kort störa cellmembranet för att låta DNA-molekylen komma in i cellen.

Konstgjort urval: Hunduppfödare kan välja olika egenskaper, särskilt pälsfärg. Om en viss uppfödare av Labrador retrievers ser en ökad efterfrågan på en viss färg av rasen kan han eller hon systematiskt odla efter färgen i fråga.

Genterapi: Hos någon med en defekt gen kan en kopia av den fungerande genen införas i den personens celler så att det erforderliga proteinet kan framställas med hjälp av främmande DNA.

GM-grödor: Genetisk modifiering jordbruksmetoder kan användas för att skapa genetiskt modifierade (GM) grödor som herbicidresistenta växter, grödor som ger mer frukt jämfört med konventionell avel, genetiskt modifierade växter som är resistenta mot kyla, grödor med förbättrad total skörd, livsmedel med högre näringsvärde och så på.

Mer allmänt, under 2000-talet har genetiskt modifierade organismer (GMO) blomstrat till en hot-button-fråga i De europeiska och amerikanska marknaderna på grund av både livsmedelssäkerhet och affärsetisk oro kring genetisk modifiering av grödor.

Genmodifierade djur: Ett exempel på genetiskt modifierade livsmedel i boskapsvärlden är avel kycklingar som växer större och snabbare för att producera mer bröstkött. Rekombinant DNA-teknik som dessa väcker etiska problem på grund av smärta och obehag det kan orsaka djuren.

Genredigering: Ett exempel på genredigering eller genomredigering är CRISPR, eller grupperade regelbundet mellanrum korta palindromiska upprepningar. Denna process är "lånad" från en metod som används av bakterier för att försvara sig mot virus. Det innebär mycket målinriktad genetisk modifiering av olika delar av målgenomet.

I CRISPR, styr ribonukleinsyra (gRNA), en molekyl med samma sekvens som målstället i genomet, kombineras i värdcellen med ett endonukleas kallat Cas9. GRNA kommer att binda till mål-DNA-platsen och dra Cas9 med den. Denna genomredigering kan resultera i "utslagning" av en dålig gen (såsom en variant som är inblandad i att orsaka cancer) och i vissa fall tillåter den dåliga genen att ersättas med en önskvärd variant.