Zastosowanie nauk biologicznych w życiu codziennym.

Nauki biologiczne rozwijały się od bardzo dawnych czasów. Współcześni biolodzy dysponują bardzo zaawansowanymi metodami pozwalającymi na dokonywanie kolejnych, często zaskakujących odkryć. Dzięki tym metodom możliwe jest odkrywanie ścieżek ewolucji, dotarcie do pierwotnych form życia, a w przyszłości być może pozwolą na sterowanie nim. Kolejne, publikowane wyniki badań mogą wzbudzać podziw, nadzieję, a u części osób również niepokój i rodzić pytanie jak dalece można się posunąć w dokonywaniu zmian w strukturze komórki i materiału genetycznego. To czy osiągnięcia i odkrycia nauk biologicznych przyniosą nam korzyści, czy szkody zależy przede wszystkim od nas samych i od tego do jakich celów zdecydujemy się ich użyć. Narzędzia inżynierii genetycznej mogą posłużyć zarówno do stworzenia nowych, bardziej plennych i wytrzymałych na suszę odmian roślin, dzięki którym będzie można choć częściowo nakarmić głodujących, jak i do stworzenia broni biologicznej.

BIOTECHNOLOGIA

Biotechnologia jest tą gałęzią nauki, która w ostatnich latach przeżywa dynamiczny rozwój. Z tego właśnie powodu trudno jest omówić wszystkie związane z nią zagadnienia. W tej pracy przedstawię tylko kilka przykładów wykorzystania technik stosowanych we współczesnej biotechnologii. Jedną z najbardziej przyszłościowych technik biotechnologicznych wydaje się być inżynieria genetyczna. Oczywiste jest, że jej rozwój może przynieść ludziom niezliczone korzyści. Istnieje cały szereg produktów białkowych, które ludzie mogli uzyskać dotychczas jedynie ze źródeł naturalnych, jednak ich ilość nie pokrywała stale zwiększającego się popytu. Techniki stosowane do sztucznego rekombinowania kwasów nukleinowych stanowią nie tylko bardzo przydatne narzędzia wykorzystywane w celu zgłębiania mechanizmów funkcjonowania komórek, ale również przyczyniają się do powstawania zupełnie nowych gałęzi technologicznych. Wydaje się oczywiste, że w niedalekiej przyszłości rekombinowane białka oraz organizmy żywe powstające przy udziale technik inżynierii genetycznej m. in. mikromanipulacji będą spełniały istotną rolę w życiu ludzi. Najwięcej przykładów potwierdzających tą tezę dostarcza nam współczesna medycyna i farmacja. Pierwszym rekombinowanym białkiem wyprodukowanym dzięki wykorzystaniu technik inżynierii genetycznej była insulina ludzka wytwarzana przez komórki bakterii Esherichia Coli. Stało się ono produktem handlowym. Zanim eksperymenty prowadzące do uzyskania szczepów produkujących insulinę zakończyły się sukcesem, hormon ten izolowano tylko z trzustek zwierząt. Niestety białko zwierzęce wywoływało alergię u wielu osób cierpiących na cukrzycę. Przyczyną nadwrażliwości organizmu ludzkiego na insulinę izolowaną od zwierzą była drobna różnica w sekwencji aminokwasowej pomiędzy dwoma rodzajami cząsteczek. Jest, więc oczywiste, że wykorzystanie technik biotechnologicznych w produkcji insuliny ludzkiej ma wiele zalet i jest niezwykle ważne dla cukrzyków.

Te same techniki okazały się pomocne przy syntetyzowaniu ludzkiego hormonu wzrostu, białka koniecznego w terapii zaburzeń wzrostowych pojawiających się u pewnej grupy dzieci. Zanim z pomocą przyszła biotechnologia wspomniany hormon pozyskiwano tylko ze zwłok. Otrzymane w ten sposób próbki były niejednokrotnie zanieczyszczone wirusami, a stosowane techniki izolacji nie były zbyt wydajne.

Wielkim sukcesem było również otrzymanie rekombinowanego czynnika VIII. Białko to jest niezbędne w procesie krzepnięcia krwi, a jego brak jest przyczyną rozwoju hemofilii typu A. Podawanie chorym na hemofilię rekombinowanego białka w stu procentach eliminuje ryzyko zarażenia wirusem HIV, wywołującego AIDS. Zanim otrzymano rekombinowany czynnik VIII zakażenia wirusem HIV u chorych na hemofilię były bardzo często i następowały w wyniku podawania im wspomnianego białka izolowanego z krwi ludzkiej.

Lista produktów syntetyzowanych dzięki wykorzystaniu metody sztucznej rekombinacji kwasów nukleinowych ciągle się wydłuża. Jeżeli do genomu organizmu wyższego wprowadzi się fragment DNA pozyskany z innego organizmu to staje się on organizmem transgenicznym. Określenie to odnosi się zazwyczaj do roślin i zwierząt. Istnieje wiele sposobów pozwalających na wyizolowanie i wprowadzenie obcego DNA do jądra komórek docelowych. Jednym z nich jest wprowadzenie DNA przy użyciu wektorów wirusowych. Często stosuje się również tzw. armatki genowe pozwalające wprowadzić transgen bez użycia wektora. Tworzenie organizmów transgenicznych jest jedną z podstawowych dróg uzyskiwania rekombinowanych białek. Aby dany organizm produkował pożądane białko, kodujący go gen wprowadza się przy pomocy mikroiniekcji do jądra zapłodnionej komórki jajowej. Tak zmodyfikowane jajo wprowadza się do macicy samicy, we wnętrzu, której odbywa się normalny rozwój. Zwierzęta transgeniczne stosuje się powszechnie w wielu typach badań naukowych. Eksperymenty te mogą dotyczyć np. sposobów regulacji ekspresji genów, mechanizmów warunkujących funkcjonowanie układu immunologicznego, powstawanie chorób genetycznych oraz prowadzących do wykształcania zmian nowotworowych.

Kolejnym sukcesem biotechnologii, który znalazł zastosowanie medycynie jest wyprodukowanie takich szczepów bakteryjnych, które produkują czynnik hamujący namnażanie się wirusów, czyli interferon. Jeszcze donioślejszy wydaje się fakt, że uzyskano komórki drożdży, które produkują antygen powierzchniowy wirusa żółtaczki. Antygen ten jest stosowany jako szczepionka przeciw żółtaczce. Inżynieria genetyczna, znalazła zastosowanie w bardzo wilcu gałęziach przemysłu, jest wykorzystywana zarówno przy produkcji piwa, jak i leków. Kolejną techniką, która jak się wydaje może przynieść wiele korzyści medycynie i przemysłowi farmaceutycznemu jest unieruchamianie enzymów na podłożach trwałych. Technika ta opiera się na izolowaniu oraz oczyszczaniu enzymów a następnie przyłączaniu ich do podłoża stałego tak, aby nie traciły one aktywności, ale przestały być rozpuszczalne. Dzięki temu poprzez naczynie z unieruchomionym w jego wnętrzu enzymem można wolno pompować roztwór, w którym znajdują się substraty reakcji katalizowanej przez unieruchomiony enzym. Technika ta znajduje wiele zastosowań. Mogą być one wykorzystane np. w terapii chorób genetycznych, u podłoża, których tkwi inaktywacja pewnych enzymów. Dzieje się tak np. u chorych na fenyloketonurię. Gdyby udało się związać z podłożem enzym rozkładający fenyloalaninię, można by było oczyszczać krew chorych osób z gromadzącego się w niej szkodliwego aminokwasu.

Część naukowców prowadzi eksperymenty, których celem jest skonstruowanie takich roślin, które potrafiłyby wiązać azot występujący w powietrzu. Uzyskanie tego typu roślin byłoby z pewnością rewolucją w gospodarce rolnej.

Techniki biotechnologiczne są wykorzystywane w celach tak prozaicznych jak wytwarzanie proszków do prania.

Biotechnologia przychodzi również z pomocą środowisku naturalnemu. Zmodyfikowane genetycznie grzyby oraz bakterie mogą być wykorzystane do neutralizacji zanieczyszczeń związkami siarki oraz ropą naftową. Stosowanie mikroorganizmów transgenicznych wydaje się być nieco ryzykowne. Gdyby bakterie posiadające zdolność rozkładania ropy naftowej wydostały się z laboratorium, mogłyby stać się przyczyną katastrofy energetyczne.

Wydaje się, że lista zastosowań technik biotechnologicznych będzie się stale wydłużać tak jak rokrocznie pojawiają się kolejne technologie. Sukces w inżynierii genetycznej wymaga przeprowadzenie wielu doświadczeń pomocniczych i eksperymentów zasadniczych, do których zużywa się wiele identycznych kopii jakiegoś genu. Powielanie genu może odbywać się na dwa sposoby:

• Z wykorzystaniem technik in vitro - np. PCR. Jest to technika, która umożliwia wykorzystanie bardzo dużej ilości kopii DNA w krótkim czasie. Jej zaletą jest również to, że nie trzeba mieć dużych ilości materiału wyjściowego;
• Przy wykorzystaniu technik in vivo - np. klonowania, polegającego na wprowadzaniu żądanego genu do genomu organizmu żywego.

Aby wprowadzić gen do komórki należy zastosować właściwy wektor. Wektory stosuje się zarówno w klonowaniu, jak i do wytwarzania wspomnianych wyżej organizmów transgenicznych. Wektory stanowią pewnego rodzaju opakowanie, rodzaj nośnika pozwalającego na bezpieczne transportowanie fragmentów DNA z jednego do drugiego typu komórki. Obecnie prowadzi się wiele eksperymentów zmierzających do wykorzystania wirusów jako wektorów przenoszących DNA. Najbardziej obiecujące wydają się być retrowirusy, adenowirusy, wirusy AAV (niepatogenne ludzkie parvowirusy, które do rozwoju potrzebują wirusa pomocniczego, zwykle adenowirusa), wirusy herpes i wirus Vaccinia. Próbuje się także wprowadzać DNA do komórek innymi metodami np. za pomocą sztucznych chromosomów, liposomów, lipopleksów, wykorzystując biobalistykę, mikromanipulacje, czy endocytozę poprzez receptory. Wprowadzenie genu do komórki nie oznacza, że operacja klonowania zakończyła się sukcesem. Jednym z największych problemów stanowiących nie lada wyzwanie dla inżynierii genetycznej jest wprowadzenie genu w takie miejsce, aby ulegał on powielaniu i ekspresji. Do dziś nie udało się opracować technik, które pozwalałyby każdorazowo na umieszczenie genu w wybranym miejscu genomu. Dlatego właśnie klonowanie niesie ze sobą ryzyko wyłączenia innego istotnego dla życie komórki genu. Jedyną metodą pozwalającą na uzyskanie komórek niosących aktywny transgen jest przeprowadzenie wielu eksperymentów a następnie wyselekcjonowaniu komórek posiadających wszystkie interesujące nas cech. Osoby, którym zastosowanie technik klonowania przyniosło wymierne korzyści nie są sceptycznie nastawieni do technik biotechnologicznych. Zapewne twierdzą one, że rozwój inżynierii genetycznej będzie miał doniosłe, a nawet zbawienne oddziaływanie na życie ludzi. Na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych, kiedy dopiero zaczynano myśleć o inżynierii genetycznej, wielu naukowców obawiało się, że niewłaściwe wykorzystanie technik nowej gałęzi nauki może przynieść duże szkody. Niepokój wzbudzała zwłaszcza możliwość przypadkowego stworzenia organizmu, który posiadałby cechy pozwalające mu na wyparcie gatunków dotychczas występujących w środowisku. Obawiano się stworzenia takich szczepów bakterii, które byłby odporne na stosowane dotychczas antybiotyki i potrafiły pokonać system obronny zaatakowanego organizmu. Niewątpliwie naukowcy, którzy włożyli wiele trudu w doskonalenie technik inżynierii genetycznej, mieli świadomość zagrożeń płynących z ich wykorzystania. To dzięki ich staraniom zaczęto opracowywać zbiór zasad gwarantujących bezpieczeństwo stosowanych technologii. Eksperymenty przeprowadzone w ciągu ostatnich dziesięcioleci nie potwierdziły początkowych obaw. Badania, do których użyto technik rekombinacji i klonowania przeprowadzano bezpiecznie w wielu laboratoriach przemysłowych i uniwersyteckich. Jedna z największych obaw, przewidująca wydostanie się z pod kontroli eksperymentatorów niebezpiecznych mikroorganizmów okazała się zupełnie bezpodstawna. W laboratoriach, w których pracuje się z groźnymi szczepami opracowano taki system zabezpieczeń, całkowicie eliminujący ryzyko wydostania się chorobotwórczych mikroorganizmów oraz zapewniający bezpieczeństwo przeprowadzającym badania eksperymentatorom. Wiele eksperymentów, w których klonowano geny zakończyło się sukcesem dzięki temu ludzie przestali się bać, że naukowcy przez przypadek stworzą niebezpieczny dla środowiska organizm, zawierający takie geny, które nie pozwolą na jego unicestwienie. Istnieje oczywiście ryzyko, że któryś z badaczy celowo zaprojektuje i wyhoduje organizm posiadający groźne konstrukcje genowe.

Większość eksperymentatorów przyznaje dziś, że technika sztucznej rekombinacji kwasów nukleinowych ma wielkie znaczenie dla rozwoju medycyny i zgłębiania wiedzy na temat funkcjonowania organizmów żywych. Naukowcy przekonali się, że początkowe obawy jakoby rozwój biotechnologii mógł nieść istotne zagrożenie dla środowiska i człowieka były przesadzone. W momencie, kiedy dowiedziono, że eksperymenty, których przedmiotem jest manipulacja DNA są bezpieczne, znacznie złagodzono obowiązujące dotychczas przepisy niejednokrotnie ograniczające dalszy rozwój inżynierii genetycznej. Znaczne obostrzenia dalej obowiązują w stosunku do tych badań, do których używa się genów, nie do końca poznanych, mogących wywołać niespodziewane i groźne efekty. Ograniczenia dotyczą zwłaszcza takich projektów, których celem jest wprowadzenie organizmów transgenicznych do ekosystemów naturalnych lub upraw prowadzonych na skalę przemysłową. Ograniczenia te stosuje się, aby zapobiec niekontrolowanemu rozprzestrzenianiu się nasion roślin transgenicznych albo krzyżowaniu roślin naturalnych z tymi, które zostały zmodyfikowane genetycznie. Wiele czasu poświęca się dziś, aby przewidzieć skutki wprowadzenia do ekosystemów naturalnych organizmów, którym wprowadzono obce geny. Wydaje się, że w najbliższej przyszłości powinniśmy uzyskać wiedzę, która pozwoli nam przewidzieć ryzyko płynące z takiego przedsięwzięcia.

INŻYNIERIA GENETYCZNA.

Ludzie od bardzo dawna ingerowali w genomy roślin i zwierząt hodowlanych. Dopiero w ostatnich latach zaczęto praktycznie wykorzystywać informacje, których dostarczyły badania prowadzone w zakresie genetyki molekularnej. Najlepszą ilustrację zastosowania genetyki stanowi inżynieria genetyczna. Mianem inżynierii genetycznej określa się takie zabiegi, które polegają na wyizolowaniu pożądanego genu z genomu jednego organizmu, a następnie wprowadzeniu go do genomu nowego organizmu. Inżynieria genetyczna zajmuje się również badaniem losów transgenów czyli sprawdzaniem czy podlegają one replikacji oraz ekspresji.

ZASADY STOSOWANE W INŻYNIERII GENETYCZNEJ.

1. Wbudowanie szukanego genu do cząsteczki plazmidu. Metoda ta często przypomina "strzelanie na ślepo", ponieważ, niejednokrotnie o uzyskaniu klonu bakterii niosących w swym genomie szukany gen decyduje przypadek.
2. Izolacja szukanego genu.

Zastosowanie technik inżynierii genetycznej pozwala na dowolne, ale kontrolowanie trawienie cząsteczek DNA wyizolowanych od organizmów a następnie na wbudowywaniu uzyskanych fragmentów do sztucznych lub naturalnych plazmidów, stanowiących rodzaj wektora umożliwiającego wprowadzanie genów do wnętrza komórek bakteryjnych. Aby eksperymenty, w których wykorzystuje się manipulacje genetyczne mogły zakończyć się sukcesem niezbędne jest poznanie struktury DNA oraz zasady działania kodu genetycznego. Do dziś poznano sekwencję nukleotydowi bardzo wielu genów. O kolejności nukleotydów w genie można wnioskować analizując sekwencję aminokwasów w kodowanym przez niego białku. Biotechnolodzy dysponują metodami umożliwiającymi syntezę DNA bez wykorzystywania do tego celu organizmów żywych. W ten sposób uzyskano między innymi zbudowaną z pięćdziesięciu jeden aminokwasów cząsteczkę insuliny, a także pewne neurohormony, o cząsteczkach złożonych z kilku aminokwasów. Techniki inżynierii genetycznej pozwalają na znaczne ograniczenie kosztów produkcji białek oraz uzyskanie ich w krótszym czasie. Jest to możliwe dzięki wprowadzaniu do komórek bakterii genów zwierzęcych lub sztucznie zsyntetyzowanych. Bakterie stanowią główny przedmiot zainteresowania biotechnologów. Dzieje się tak, dlatego, że wprowadzanie, transgenów do jąder komórkowych, komórek budujących organizmy wyższe jest o wiele trudniejsze i wymaga znacznie większych nakładów finansowych. Obecnie prowadzi się jedynie eksperymenty, na kulturach tkankowych uzyskanych dzięki wyizolowaniu i namnożeniu komórek organizmów zwierzęcych lub roślinnych. Na tak przygotowanych hodowlach, można następnie dokonywać manipulacji genetycznych. Eksperymenty te, dotyczą przede wszystkim transformowania zygot, bądź gamet zwierzęcych. Eksperymenty genetyczne prowadzono również na myszach. W ich wyniku uzyskano myszy, których genom zawierał geny królika. Wprowadzanie transgenów do komórek roślinnych jest o wiele trudniejsze ze względu na to, że są one okryte celulozową ścianą komórkową. Zabiegi prowadzone na jądrach komórkowych, bądź całych komórkach określa się mianem inżynierii komórkowej. Tak zwana technika komórek mieszańcowych umożliwiła połączenie komórek izolowanych od różnych gatunków zwierząt, dzięki czemu uzyskano komórki hybrydowe, o znacznie wydłużonym długości życia, produkujące przeciwciała monoklinalne. Metoda ta ma ogromne znaczenie praktyczne, ponieważ uzyskane tą drogą przeciwciała odznaczają się wysoką swoistością. Dotychczas uzyskiwano przeciwciała podając antygen uodpornionym na niego zwierzętom. Kiedy we krwi zwierzęcia pojawiły się przeciwciała można je było wyizolować. W przeciwieństwie do tych uzyskiwanych z hodowli komórkowych, przeciwciała izolowane z krwi zwierząt nie posiadają tak dużej swoistości.

Techniką, która w ostatnich czasach zdobyła dużą popularność jest klonowanie. Określenie klon odnosi się do potomstwa jednego osobnika, który rozmnaża się bezpłciowo. Genom osobników potomnych jest, więc identyczny, jak genom organizmu macierzystego. Klonowanie jest, więc techniką, pozwalającą na uzyskiwanie klonów. Nowoczesne metody inżynierii genetycznej pozwalają klonować również organizmy rozmnażające się płciowo. W ten sposób sklonowano, np. żabę. Dokonano tego usuwając z zapłodnionej komórki jajowej jądro i wprowadzając w jego miejsce jądro wyizolowane z komórki nabłonka jelitowego innej żaby. W wyniku tego eksperymentu powstała dorosła żaba, której geny były identyczne, do tych, znajdujących się w jądrze komórkowym wprowadzonym do zygoty. Wykorzystanie technik klonowania pozwoliło również na wyhodowanie homozygotycznych myszy. Osobniki te, posiadały na chromosomach homologicznych identyczne kopie każdego z genów. W lutym roku 1997, brytyjscy naukowcy pracujący w Edynburgu oznajmili, iż udało im się uzyskać klon owcy. W eksperymencie tym użyli oni komórki wyizolowane od dorosłych osobników. Udało im się uzyskać, aż dwieście embrionów, ale w pełni rozwinął się tylko jeden. Na eksperymenty, w wyniku, których powstała Dolly wydano ponad jeden milion dolarów. Potencjalne korzyści, jakie mogą płynąć z tego eksperymentu, mogą być oszałamiające. Z drugiej jednak strony sukces, jakim jest klonowanie ssaków może okazać groźny dla ludzi. Głównym założeniem klonowania zwierząt było zwiększenie liczby gatunków zdolnych do wytwarzania białek ludzkich. Wkrótce po klonowaniu Dolly, amerykańscy badacze z ośrodka w Oregonie ogłosili światu, że udało im się klonować małpę (rezusa). Różnica polegała na tym, że badacze z Oregonu użyli do eksperymentu, komórek izolowanych od embrionów będących we wczesnych stadiach rozwojowych.

Eksperymenty prowadzone przez biologów molekularnych oraz genetyków mogą stanowić dla współczesnego społeczeństwa wyzwanie, do którego nie jest ono w pełni przygotowane. Wiele osób obawia się, że naukowcy mogą pokusić się o klonowanie organizmów ludzkich. Nie należy jednak wykluczać sensowności idei klonowania organizmów jako takich. Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom społecznym rządy kilkunastu państw w styczniu 1998 roku podpisały konwencję w myśl, której prowadzenie eksperymentów nad klonowaniem organizmów ludzkich stało się nielegalne.

Eksperymenty genetyczne prowadzone przez polskich i czeskich naukowców zaowocowały uzyskaniem potomstwa od ośmiotygodniowych, a więc niedojrzałych płciowo jagniąt. Dokonano tego w maju 2002 roku w Akademii Rolniczej w Krakowie. Pracujący tam naukowcy wyizolowali od ośmiotygodniowych jagniąt niedojrzałe jeszcze komórki płciowe. Następnie umieścili je w odżywce, w której pozyskane komórki uzyskały dojrzałość płciową w ciągu dwudziestu czterech godzin. Po tym zabiegu dokonano zapłodnienia, a uzyskane zarodku zaimplantowano w macicy matki zastępczej. Po upływie stu czterdziestu sześciu dni urodziły się trzy zdrowe jagnięta. Krakowscy naukowcy twierdzą, że eksperyment ten pozwoli na uzyskanie osobników znacznie doskonalszych, będą one miały gęstszą wełnę, a ich mleko będzie posiadało więcej wartości odżywczych.

Posiadana przez genetyków wiedza umożliwia otrzymanie homozygotycznych roślin z hodowli tkankowej. Łączenie komórek uzyskanych od różnych gatunków roślin, pozwala uzyskać tzw. komórki mieszańcowe. Z hodowli tego typu komórek da się wyhodować nową, w pełni wykształconą roślinę mieszańcową. Technika ta znalazła zastosowanie w ogrodnictwie. Ostatnio opracowano również metodę pozyskiwania tzw. fenokopii mutacji. Zjawisko to polega na uzyskiwaniu osobników, w których fenotypie uwidaczniają się cechy typowe dla określonej mutacji, mimo, że w ich materiale genetycznym nie dokonywano żadnych modyfikacji. Pierwsze fenokopie mutacji udało się uzyskać Jacob'owi, dokonał tego blokując translację wybranego genu. Fenokopie, które uzyskał były kwestią przypadku.

Dzięki rozwojowi technik inżynierii genetycznej i biologii molekularnej możliwe było znaczne pogłębienie wiedzy dotyczącej mechanizmów nowotworzeni.

Określenie organizm transgeniczny odnosi się do organizmów wyższych, do genomu, których wprowadzono obcy, nowy gen, przekazywany kolejnym pokoleniom według podstawowych praw dziedziczenia. Dotychczas udało się uzyskać wiele organizmów transgenicznych. Niżej podano kilka przykładów:

• W Stanach Zjednoczonych trwają prace nad transgenicznym tytoniem, któremu wprowadzono geny zwiększające odporność na chemiczne środki ochrony roślin herbicydy.
• Amerykańskie koncerny biotechnologiczne przeprowadziły eksperymenty, w wyniku, których uzyskały zmodyfikowaną genetycznie bawełnę, której włókna zawierają pewną ilość poliestru. Bawełna ta ma znacznie większe właściwości termoizolacyjne. Mimo, że do wprowadzenia roślin wytwarzających włókna syntetyczne do masowej produkcji jest jeszcze daleko, to zjawisko to, nie jest tylko fikcją.
• Uzyskano transgeniczne świnie oraz myszy, które są wykorzystywane w eksperymentach genetycznych.
• Trwają badania mające na celu wprowadzenie bakteryjnych genów umożliwiających wiązanie azotu atmosferycznego do gnomów roślin wyższych.
• Od roku 1994 w Stanach Zjednoczonych sprzedawane są zmodyfikowane genetycznie pomidory, odznaczające się wydłużonym czasem przechowywania.
• Wyhodowano zmodyfikowane genetycznie ziemniaki do wytwarzania albuminy HSA. Białko to, warunkuje utrzymanie właściwego ciśnienia osmotycznego krwi.

WPŁYW GENETYKI NA ŻYCIE WSPÓŁCZESNYCH LUDZI.

Intensywny rozwój nauk biotechnologicznych, w tym inżynierii genetycznej pozwolił odzyskać nadzieję ludziom cierpiącym z powodu chorób genetycznych. Wielu naukowców prowadzi prace, których celem jest opracowanie metod pozwalających na odpowiednio wczesne wykrywanie oraz odwracanie niekorzystnych dla ludzi mutacji. Wydaje się, więc że tzw. terapie genowe mogą mieć ogromne znaczenie dla ludzi. Bazują one na:

• Podstawieniu (substytucji) zmutowanych genów allelami prawidłowymi.
• Próbach naprawy uszkodzonych genów.
• Wprowadzeniu właściwej kopii genu, np. na drodze transdukcji, do komórek, w których występuje zmutowana jego forma.

Podstawowym utrudnieniem przy stosowaniu terapii genowych jest to, że po wprowadzeniu genu terapeutycznego, w jednej komórce działają dwa geny, czego skutki trudno przewidzieć. Równie istotnym problemem jest opracowanie metody pozwalającej na precyzyjne umieszczenie genu terapeutycznego w genomie osoby chorej. Inercja w nieodpowiednie miejsce może prowadzić do unieczynnienia innych genów niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania organizmu. Nie opracowano również odpowiednio wydajnych metod, dzięki którym można wprowadzać geny terapeutyczne do wszystkich wymagających tego komórek.

Terapia genowa nie jest jedynym przykładem na to, że genetycy podejmują starania zmierzające do poprawy zdrowia ludzi. Można wymienić wiele innych przykładów:

• Organizmy transgeniczne możny wykorzystać do produkcji organów wykorzystywanych do przeszczepów. Wstępne eksperymenty prowadzono już z wykorzystaniem transgenicznych świń. Mimo, że to dopiero początek prac zmierzających w tym kierunku, to wyniki badań wydają się być obiecujące.
• Zwiększanie dostępności terapii genowych, stanowiłoby bez wątpienia wielkie osiągnięcie. Duże nadzieje pokłada się w zastosowaniu terapii genowych w leczeniu mukowiscydozy, próbowano opracować takie środki do inhalacji, w których znajdowałby się wektory wirusowe niosące geny kodujące prawidłową formę białka odpowiadającego za aktywację kanałów chlorkowych, w komórkach osób chorych.
• Wczesne wykrywanie chorób genetycznych jest możliwe dzięki wprowadzeniu do powszechnego użycia sąd molekularnych. Sądom jest zwykle wyznakowały radioaktywnie odcinek cDNA kodujący poszukiwany gen. Wykonanie testu polega, na pobraniu materiału genetycznego od pacjenta i poddaniu go procesowi hybrydyzacji z określoną sondom molekularną. Stopień hybrydyzacji w mieszańcowym DNA określa się za pomocą technik radiograficznych. Ze statystyk wykonanych w roku 2000 przez National Institutes of Health ze Stanów Zjednoczonych wynika, że stosowanie testów genetycznych jest zjawiskiem coraz powszechniejszym. Za pomocą sond molekularnych można wykryć mutacje warunkujące wystąpienie anemii sierpowatej, fenyloketonurii, choroby Huntingtona, oraz mutacje w genach brca, które prawdopodobnie zwiększają ryzyko wystąpienia raka piersi i jajników.
• Transkryptomika jest nauką, której techniki pozwalają na oznaczenie miejsca, oraz czasu, w którym określony gen jest aktywny. Idealną sytuacją byłoby poznanie całego transkryptomu ludzkiego, czyli zbadanie aktywności wszystkich cząsteczek mRNA powstających w komórkach ludzi. Aby określić sekwencję mRNA, wykorzystuje się zazwyczaj zdolność do tworzenia hybryd z cząsteczkami cDNA. Ta sama technika pozwala również określić aktywność wybranych genów w komórkach nowotworowych.
• Proteomika jest to nauka, której techniki pozwalają na dokonanie identyfikacji oraz oznaczenie białek podawanych przez wybrane geny. Idealnie byłoby gdyby udało się zdobyć informacje na temat funkcjonowania całego ludzkiego protonu, czyli ogółu białek znajdujących się w organizmie człowieka. Zdobycie informacji na temat tego, w jaki sposób wybrane białka są transkrybowane i jakie są mechanizmy ich ekspresji, pozwoliłoby m. in. na opracowanie nowego typu leków. Leki te mogłyby np. inaktywować białka wytwarzane w komórkach nowotworowych, albo wiązać się do wybranych genów hamując ich aktywność.

ZNACZENIE GENETYKI W HODOWLI.

Celem wielu zabiegów hodowlanych jest uzyskanie takich odmian zwierząt, które byłyby homozygotami pod względem jak największej liczby cech. Potomstwo uzyskiwane od takich osobników jest bardziej powtarzalne i można u niego uzyskać ekspresję cech determinowanych przez allele recesywne albo geny niewykazujące dominacji zupełnej. Aby osiągnąć ten rezultat w przypadku roślin praktykuje się samozapylenie w kilku kolejnych pokoleniach, natomiast w przypadku zwierząt praktykuje się tzw. chów wsobny, polegający na kojarzeniu osobników blisko spokrewnionych. Z punktu widzenia hodowcy ideałem jest uzyskanie zwierząt w stu procentach homozygotycznych, dzięki temu kolejne pokolenia posiadałby tylko ściśle wyselekcjonowane cechy. Niestety okazało się, że chów wsobny, prowadzi do uzyskiwania potomstwa o coraz mniejszej plenności i żywotności. Przyczyną tego zjawiska jest ujawnianie się niekorzystnych cech kodowanych przez geny recesywne, które w przypadku krzyżowania osobników niespokrewnionych, mogą być maskowane przez geny dominujące. Wydawało się, więc że należy zaprzestać krzyżowania osobników blisko spokrewnionych. Potwierdzeniem tej teorii był wynik eksperymentu przeprowadzonego w latach dwudziestych przez naukowców amerykańskich. Skrzyżowali oni ze sobą niespokrewnione, rachityczne, czyste linie kukurydzy. Osobniki potomne były bujnymi i wysokoplennymi roślinami, przewyższającymi pod tym względem większość dostępnych wówczas odmian kukurydzy dzikiej i hodowlanej. Prawdopodobnie przyczyną tego niespodziewanego sukcesu, stał się duży poziom heterozygotyczności uzyskanych mieszańców. Obecność różnych form tego samego genu, w komórce może przyczyniać się do maskowania niekorzystnych cech kodowanych przez geny recesywne. Dotychczas nie wyjaśniono, z jakiego powodu heterozygoty uzyskują przewagę nad organizmami homozygotycznymi.

Częstą praktyką hodowlaną jest również krzyżowanie rasotwórcze. Celem tych zabiegów jest uzyskanie nowej, lepiej przystosowanej do określonych warunków środowiskowych rasy. Nowe rasy uzyskuje się albo poprzez opisane wyżej krzyżowanie wsobne, albo przez krzyżowanie osobników należących do kilku różnych ras posiadających wybrane cechy. Uzyskanie nowej rasy jest procesem długotrwałym. Powstające w wyniku tego typu krzyżówek mieszańce odznaczają się znaczną zmiennością i różnorodnością cech. Można uznać, że otrzymano nową rasę dopiero wtedy, gdy uzyska się odpowiednią ilość zwierząt posiadających określone cechy budowy wyselekcjonowane w określonym celu, a potomstwo tych zwierząt nie wykazuje większej zmienności genotypowej niż osobniki rodzicielskie. W Polsce prowadzi się obecnie eksperymenty, których celem jest uzyskanie nowej rasy owcy produkującej wełnę znacznie dłuższą niż dotychczas istniejące rasy. Krzyżowanie użytkowe opiera się na zjawisku heterozji. Polega ono na wybieraniu do krzyżówek przedstawicieli dwóch ras, u których pożądane cechy są dobrze wyrażone. Celem krzyżówki jest pozyskanie mieszańców, u których żądane cechy stworzą harmonijne połączenie. Obecnie stosuje się nie tylko krzyżowanie zwierząt należących do tej samej rasy czy gatunku, ale podejmuje się również próby krzyżowania międzygatunkowego. Główną trudnością w przypadku krzyżowania międzygatunkowego są właściwości fizjologiczne oraz różna ilość chromosomów u zwierząt należących do różnych gatunków. Podejmowano próby krzyżowania żubrów z bydłem domowym. Zwierzęciem uzyskanym w wyniku przeprowadzenia krzyżowania międzygatunkowego jest muł. Krzyżowanie mające na celu uzyskanie nowej rasy stosuje się przede wszystkim, aby zwiększyć wydajność prowadzonych hodowli. Pozwala to hodowcą ograniczyć nakłady finansowe oraz zredukować ilość pracy włożonej w prowadzenie hodowli.

W przypadku hodowli roślin dąży się do udoskonalenia już istniejących gatunków oraz podobnie jak w przypadku zwierząt, uzyskiwania nowych odmian. Zarzucenie prac mających na celu udoskonalanie istniejących gatunków roślin (prowadzenie tzw. hodowli zachowawczej) przyczynia się do pogarszania jakości materiału siewnego oraz obniżenia ilości zbieranych plonów. Prowadzenie tzw. hodowli twórczej, której założeniem jest uzyskiwanie nowych odmian, trzeba uznać za najdoskonalszy oraz najszybszy sposób zwiększania plenności roślin.

Następstwa krzyżowania roślin:

• Nowe połączenia cech,
• zwiększenie zmienności gatunkowej roślin gwarantującym lepsze przystosowanie się do zmieniających się warunków otoczenia,
• epistazja,
• transgresja,
• nowe sprzężenia cech,

uzyskanie cech dziedziczących się jednogenowo, gwarantujące utrzymanie pożądanych cech (w przypadku dziedziczenia wielogenowego uzyskuje się dużą jednorodność w potomstwie, co znacznie utrudnia hodowlę).

BOTANIKA.

Wydawać by się mogło, że botanika jest nauką opartą głównie na obserwacji morfologii i anatomii roślin, posługującą się w swoich dociekaniach głównie tradycyjnymi narzędziami badawczymi. Tymczasem również botanicy zaczynają sięgać po nowoczesne osiągnięcia techniki i wykorzystują je, aby zgłębiać tajemnice procesów życiowych zachodzących w komórkach roślin. Tajemnice życia roślin pozwalają odkrywać metody biofizyczne, biochemiczne, czy fizykochemiczne. Wykorzystuje się do tego celu spektroskopię komórkową, chromatografię, izotopy promieniotwórcze, elektroforezę białek i kwasów nukleinowych, badania przyżyciowe (niejednokrotnie filmowane), badanie struktur komórkowych z użyciem mikroskopu elektronowego. Oczywiście techniki od dawna stosowane w botanice nadal dostarczają cennych informacji. W paleobotanice stosuje się np. analizę porównawczą pyłków, a w fizjologii wiele badań opiera się na hodowlach tkanek. Problemami, które dziś najbardziej frapują botaników to: dokładne poznanie ultrastruktury protoplastu, wyjaśnienie molekularnych mechanizmów odpowiadających za podziały i różnicowanie się komórek oraz tkanek, zrozumienie tego, w jaki sposób odbywa się regulacja hormonalna procesów wzrostowych oraz indukcja różnicowania komórek, czy wyjaśnienie tajników fotosyntezy. Przeprowadzenie tego typu badań bardzo często wymaga zastosowania skomplikowanych urządzeń pomiarowych, takich jak np. fitotron do analizy procesów fizjologicznych.

Cała współczesna botanika nie doszłaby z pewnością do punktu, w którym się dziś znajduje gdyby nie wprowadzony przez Karola Linneusza binominalny system nazewnictwa, pozwalający na nadanie każdej, znanej obecnie roślinie odpowiedniej nazwy i umieszczenie jej we właściwym miejscu w systematyce opracowanej dla królestwa roślin.

BIOLOGIA MOLEKULARNA.

Biologia molekularna jest tą dziedziną nauki, która zawiera w sobie między innymi biofizykę, biochemię, czy genetykę molekularną. W sferze jej zainteresowań znajdują się przede wszystkim zależności zachodzące między strukturą określonych związków chemicznych, a tym jaką spełniają one funkcję w komórce. Jednym z największych sukcesów biologii molekularnej jest ustalenie struktury kwasów nukleinowych oraz rozszyfrowanie zasad funkcjonowania kodu genetycznego. Dzięki temu stało się możliwe odkrycie, w jaki sposób przekazywane są informacje genetyczne, opracowanie genomów wielu organizmów. Dzięki ciągłemu poznawaniu ludzkiego genomu, możliwe jest opracowywanie coraz nowszych testów diagnostycznych, umożliwiających wczesną diagnostykę wielu chorób, w tym nowotworów, czy chorób dziedzicznych. Być może w niedalekiej przyszłości możliwe będzie stosowanie terapii genowych i leczenie chorób dotąd nieuleczalnych.

Przedmiotem badań biologii molekularnej są również substancje wydzielane przez komórki oraz struktura wchodzących w ich skład elementów. Interesujące wydaje się poznanie ich organizacji i zasad współdziałania.

Badania prowadzone przez przyrodników przynoszą nam wszystkim cały szereg korzyści. Czasami są one bardzo prozaiczne innym razem doniosłe. Wiedza zdobywana przez biologów oraz opracowane przez nich nowe techniki badawcze z pewności znajdują zastosowanie w:

1. helmintologii - nauce zajmującej się badaniem robaków pasożytniczych; eksperymenty przeprowadzane przez ludzi parających się tą dziedziną nauki dostarczają informacji np. o tym, jakie substancje chemiczne są szkodliwe dla poszczególnych pasożytów i kiedy należy je zastosować, aby pasożyty nie zniszczyły drzew czy upraw;
2. entomologii - nauce badającej życie owadów, dostarczającej pszczelarzom informacji o tym jakie gatunki roślin zapylają owady i ustalają zależności gatunkowe zachodzące między roślinami i owadami;
3. ichtiologii - nauce badającej życie ryb i dostarczającej nam informacji o chorobach ryb, czy o tym, które gatunki mogą żyć zgodnie na tym samym obszarze (ta wiedza jest szczególnie przydatna akwarystom);
4. ornitologii - nauce badającej ptaki, dzięki niej wiemy np. które gatunki ptaków są zagrożone zagładą i na co należy położyć nacisk obejmując je ochroną (np. zachować odpowiednie siedliska, będące obszarami lęgowymi);
5. antropologii - nauce badającej ewolucję i rozwój cywilizacji ludzkiej, zajmującej się analizą zmienności cech anatomicznych, dzięki czemu możemy lepiej poznać historię własnego gatunku oraz prześledzić, w jaki sposób nasi przodkowie nabywali doświadczeni wynoszące ich na kolejne szczeble w drabinie ewolucyjnej;
6. bakteriologii - nauce zajmującej się badaniem bakterii i pozwalającej nam uniknąć lub wyleczyć się z wywoływanych przez nie chorób;
7. wirusologii - nauce badającej wirusy i starającej się znaleźć ich słabe punkty, co pozwala skutecznie z nimi walczyć;
8. fitopatologii - nauce badającej mikroorganizmy wykazujące patogenność w stosunku do roślin i opracowującej metody ich zwalczania;
9. bionice - nauce łączącej biotechnologię oraz technikę, zajmującej się badaniem zasad funkcjonowania organizmów w przyrodzie i wykorzystującej te zasady w trakcie wykonywania projektów urządzeń mechanicznych;
10. bioenergetyce - nauce badającej zjawiska przemian energetycznych zachodzących zarówno na poziomie poszczególnych komórek, jak i całych ekosystemów, dzięki czemu wiemy np. ile możemy jeść, aby nie utyć, a jednocześnie dostarczyć organizmowi właściwej ilości energii;
11. ekologii - nauce badającej wzajemne oddziaływania organizmów żywych oraz ich wpływ na środowisko naturalne, dzięki czemu zdobywamy np. wiele cennych informacji pozwalających na podjęcie odpowiednich działań mających na celu ochronę gatunków, czy odbudowę biocenoz roślinnych czy zwierzęcych.