Trudno jest przeprowadzić systematyczny przegląd wszystkich aspektów biotechnologii, stąd też w niniejszej pracy ograniczymy się do kilku wybranych przykładów. Największe możliwości biotechnologiczne niesie ze sobą inżynieria genetyczna. Produkty białkowe pochodzenia naturalnego nie są wystarczalne ilościowo. Sztuczne metody rekombinacji DNA nie tylko pozwalają na badanie mechanizmów odpowiedzialnych za funkcje życiowe komórek, lecz także umożliwiły rozwój nowych technologii. w naszym życiu coraz większą rolę zaczynają odgrywać komórki i białka otrzymane dzięki manipulacjom opartym na inżynierii genetycznej. Najlepszym przykładem jest medycyna i farmakologia. Tak ludzka insulina otrzymywana jest jako produkt bakterii E. coli -jest to obecnie produkt handlowy. Wcześniej insulinę otrzymywano ze zwierzęcych trzustek. nie była to "dobra "insulina ponieważ wiele osób było na nią uczulone, gdyż sekwencja aminokwasowi insuliny ludzkiej i zwierzęcej różnią się od siebie. Innym hormonem otrzymywanym dzięki inżynierii genetycznej jest hormon wzrostu, kiedyś uzyskiwany z zwłok. Otrzymywano tylko niewielkie ilości, do tego często zanieczyszczone wirusami. obecnie dzięki inżynierii na dużą skalę produkuje się czynnik VIII, czynnik krzepnięcia krwi (białkowy). Inżynieria genetyczna daje również możliwość tworzenia tzw. organizmów transgenicznych, czyli takich które do własnych genomów włączyły obcy DNA. Obce DNA można wprowadzenie do organizmu poprzez wektory wirusowe lub też poprzez bezpośrednie wstrzyknięcie do komórki. Aby otrzymać białko zwierzęce można wprowadzić do genomu transgenicznego zwierzęcia gen , który je koduje. gen wprowadza się poprzez iniekcję jądra komórki jajowej zapłodnionej. Takie jajo implantuje się w macicy samicy i tam rozwija się transgeniczny organizm. Tak powstałe transgeniczne potomstwo wykorzystywane jest do badań nad : nowotworami, ekspresją genów, funkcjonowaniem układu immunologicznego i licznych genetycznych chorób. W medycynie inżynieria genetyczna ma zastosowaniem w produkcji przez bakterie czynnika przeciwwirusowego interferonu, lub też powierzchniowy antygen wirusa wywołującego żółtaczkę, będący szczepionką produkowany przez drożdże. Inżynierię genetyczną wykorzystuje się w technologiach biologicznych - przy wytwarzaniu leków czy produkcji piwa. Inną przyszłościową techniką biotechnologii jest unieruchomienie enzymów na podłożach trwałych. Polega to na wyizolowaniu oraz oczyszczeniu enzymu, następnie na związaniu go z podłożem stałym tak, aby przy aktywności nie był rozpuszczalny. Zalet wykorzystania enzymów jest mnóstwo. W medycynie stara się do związania z danym nośnikiem enzymów, których zahamowanie aktywności , zwykle jest uwarunkowana genetycznie powodując pewne schorzenie. W przypadku choroby- fenyloketonurii prostą oraz skuteczną terapię upatruje się w połączeniu ze nośnikiem stałym enzymu przekształcającego fenyloalaninę. Prowadzone są obecnie prace, których celem jest wykorzystanie biologicznych technologii do wytworzenia roślin potrafiących wiązać azot atmosferyczny. Ale również biotechnologię stosuje się do produkcji proszków piorących. Przykładowo grzyby oraz bakterie zmienione genetycznie mają zdolność rozkładania zanieczyszczeń siarką czy ropą naftową. Skomplikowane jednak jest ich stosowanie, gdyż wydostanie się ich spod kontroli doprowadziłoby do nieodwracalnych skutków.

Można przypuszczać, iż lista zastosowań biotechnologii w życiu ludzi wydłużać się będzie z roku na rok. W genetycznej inżynierii do osiągniecie sukcesu konieczne jest zastosowaniu szeregu doświadczeń pomocniczych i prób zasadniczych przy użyciu wielu komórek. Konieczne jest także dysponowanie licznymi kopiami genu, które uzyskiwane jest przez powielanie odcinka wielu , takich samych kopiach. Przeprowadza się ten proces na dwa sposoby:

1) In vitro - poprzez klonowanie DNA, wyizolowany gen wprowadzając do komórki.

2) In vitro - poprzez wykorzystanie Techniki PCR. Metoda ta pozwala na szybkie namnożenie określonego fragmentu DNA w probówce.

Aby w wprowadzić gen do komórki niezbędne jest użycie odpowiedniego wektora. Niezależnie od tego czy przeprowadzimy klonowanie czy tez chcemy tylko umieścić dany gen w komórce niezbędne jest połączenie wektora z genem . umieszczenie genu w odpowiednim miejscu jest bardzo skomplikowanym procesem, którym zajmuje się genetyczna inżynieria. Na dzień dzisiejszy nie opanowano jeszcze sposobu umieszczania genu w pożądanym miejscu. Błędy prowadza do licznych ubocznych efektów, jak np. wyłączanie innego, korzystnego genu. Aby temu zapowiedz konieczne jest przeprowadzanie licznych prób oraz selekcjonowanie komórek, o danej grupie cech. Wielu ludzi odniosło zdrowotne korzyści płynące z inżynierii genetycznej, np. dzięki rekombinacji DNA w sposób sztuczny, więc jasne jest ze jej rozwój jest pożądany.

Jednakże początkiem lat siedemdziesiątych, kiedy to nowa technologia dopiero się tworzyła i wchodziła na rynki, obawiano się konsekwencji jej nieprawidłowego zastosowania. Szczególnie duże niepokoje związane były z tym iż dojdzie do powstania mikro- lub makroorganizmu, który stanie się zagrożeniem dla środowiska. Obawiano się ze nowe szczepy bakterii lub tez innych organizmów, nieznanych dotąd światu, mogą się dostać do naturalnych ekosystemów. Świadomi licznych zagrożeń, które niesie genetyczna inżynieria, uczeni opracowali ścisłe przepisy podczas procedur stosowanych podczas badań i doświadczeń.

Na szczęście historia lat ostatnich nie potwierdziła tych obaw. Liczne doświadczenie w czasie których przeprowadzono manipulację genami odbywały się w wielu laboratoriach przemysłowych i uniwersyteckich, jednak żadne z niepowołanych organizmów zawierające nietypowe geny, nie wdarły się do środowiska, zatem wcześniejsze obawy były bezpodstawne. Szczepy laboratoryjne E.coli szybko giną poza laboratorium, ponieważ nie mogą skutecznie konkurować z dzikimi szczepami zasiedlającymi naturalne środowisko. Jednak badania nad, w czasie których może dochodzić do ryzyka dostania się groźnych szczepów do ekosystemów, dla bezpieczeństwa przeprowadzane są w specjalnych salach laboratoryjnych dla ochrony środowiska jak i również osób tam pracujących.

Na dzień dzisiejszy przestano już obawiać się przypadkowego sklonowania zagrażającego środowiska geny lub wydostania się na zewnątrz niebezpiecznego organizmu. Nie znaczy to jednak, że nie może dojść do celowego zaprojektowania, wyhodowania niebezpiecznych genowych konstrukcji czy też organizmu. Większość dzisiejszych uczonych widzi ogromne znaczenie sztucznej rekombinacji kwasów nukleinowych i przyznaje, że obawy dotyczące zagrożenia ze strony technologii dla ludzi i środowiska były przesadzone w dużym stopniu. W momencie ustalenia iż doświadczenia opierające się na manipulacji DNA, nie są zagrożeniem, złagodzono liczne przepisy bezpieczeństwa dotyczące tej kwestii. Silne ograniczenia są jednak przestrzegane w tych dziedzinach doświadczeń i badań, gdzie pracuje się na potencjalnie groźnych genach, lub też na takich których działanie na naturalne środowisko nie jest jeszcze całkowicie poznane. Ograniczenia te dotyczą głównie takich projektów, które mają za cel wprowadzić do środowiska organizmy uzyskane dzięki manipulacji genetycznej. Przykładowo może tu chodzić o uprawne rośliny, których pyłek czy też nasiona mogą rozprzestrzeniać się w sposób niekontrolowany. Obecnie wiele trudu i wysiłku wkłada się w oszacowanie efektów wprowadzenia do naturalnego środowiska organizmów zawierających zrekombinowane sztucznie geny. Wkrórce3, dzięki licznym badaniom tego typu, powinniśmy znaleźć odpowiedzi na pytania dotyczące tej kwestii.

INŻYNIERIA GENETYCZNA

Od wieków człowiek ingerował w genetyczne układy hodowlanych zwierząt i uprawnych roślin. W ostatnich czasach genetyka molekularna zaczęła być wykorzystywana na dużą skale do celów praktycznych. Najlepszym i najtrafniejszym przykładem wykorzystania molekularnej genetyki jest wcześniej opisywana genetyczna inżynieria. Techniki genetycznej inżynierii polegają na wycinaniu z całego genomu określonego genu i wkomponowywaniu go w genom innego organizmu, dodatkowo bada się jego zachowanie czyli replikację i ekspresję.

ZASADA TECHNIKI INŻYNIERII GENETYCZNEJ

A).Wbudowywanie pożądanego genu w plazmid ("strzelanie na ślepo"), otrzymanie kolonii bakteryjnej zawierającej gen X jest wynikiem przypadku;

B). Izolacja DNA poszukiwanego genu X

Stosując techniki inżynierii genetycznej możliwe jest cięcie nici DNA różnorodnych organizmów a następnie wstawiać je do sztucznych lub naturalnych plazmidów, które mogą być wszczepiane do bakteryjnych komórek. Celem genetycznej inżynierii jest wykorzystanie genów pochodzących od jednego organizmu, w drugim przy pomocy obcego DNA i izolacja DNA określonego, pożądanego genu.

Często stosowaną metodą jest tzw.: strzał na ślepo. w genetycznej inżynierii wykorzystuje się wiadomości o strukturze DNA i genetycznego kodu. Wiele fragmentów DNA na określone ściśle sekwencje, czyli poznana jest kolejność nukleotydowa genu. O nukleotydowej sekwencji genu świadczą aminokwasy ułożone w białkach. Na dzień dzisiejszy opracowano techniki syntezy DNA bez używania innych organizmów; przykładowo: insulinę zbudowaną z 51 aminokwasów lub też niektóre neurohormony złożone z kilku aminokwasów. Zastosowanie genetycznej inżynierii dale możliwość otrzymywania nowych szczepów bakterii, które mają określone cechy lub tez dzięki genetycznej inżynierii możliwe jest wprowadzenie zwierzęcych genów do komórek bakteryjnych, by otrzymać takie szczepy bakterii, które wytwarzałaby zwierzęce białka. Taka produkcja białek jest szybsza i dużo tańsza. Głównym przedmiotem badań genetycznej inżynierii są właśnie bakterie. Wpompowywanie obcego DNA w komórki wyższych organizmów jest bardzo trudne. Na dzień dzisiejszy istnieje możliwość wyizolowania oraz hodowania tkanek i komórek zwierzęcych, do których kolejno wprowadza się inny, obcy DNA.

Naukowe badania, które dotyczą transformowania gamet lub zygot zwierzęcych, przykładowo myszy. Wprowadzono w ten sposób do organizmu tego gryzonia nowe geny pochodzące od królika. Transformacja roślinnych komórek jest trudniejsza ponieważ posiadają celulozową ścianę. Łączenie całych komórek zwierzęcych czy roślinnych nazwano komórkową inżynierią Łącząc komórki dwóch różnych od siebie gatunków zwierząt otrzymano zwierzęta mieszańcowe, a następnie uzyskano jednorodne przeciwciała zwane monoklonalnymi. Metoda ta ma olbrzymie znaczenia praktyczne, ponieważ przeciwciała otrzymywane w naturalny sposób z krwi zwierzęcia musza być w izolowane z mieszaniny różnych przeciwciał, natomiast mieszańcowe komórki wytwarzają wyłącznie jeden typ przeciwciał. Rozwijającą się ostatnio techniką na szeroką skalę jest klonowanie. Klon to inaczej potomstwo osobnika rozmnażającego się bezpłciowo, zatem identyczne genetycznie osobniki względem siebie nawzajem jak i osobnika macierzystego. Klonowanie zatem jest metodą otrzymywania klonów, czyli identycznych genetycznie osobników, które się rozmnażają w sposób płciowy. Przykładowo z zapłodnionej komórki jajowej żaby usunięto komórkowe jądro i na jego miejsce wszczepiono jądro pochodzące z nabłonka (komórki nabłonkowej) jelitowego innego osobnika tego gatunku. Ku zaskoczeniu naukowców jajo rozwijało się normalni i powstała żaba. Komórka jajowa z której wyrosła żaba miało diploidalne komórkowe jądro, które zawierało geny takie same jak geny żaby- dawcy tkanki jelitowej.

Otrzymano żabę identyczną pod genetycznym względem z żabą, z której pochodziło komórkowe jądro sztucznie wprowadzone do Jajtym sposobem b można pozyskać klony identycznych zupełnie osobników, stąd wziął się termin klonowanie. Naukowcom udało się już otrzymać myszy homozygotyczne czyli takie które posiadają na chromosomach homologicznych tak samo rozmieszczone geny. W lutym roku 1997 naukowcy brytyjscy z Edynburga sklonowali owcę. W tym celi wykorzystali komórki pochodzące od dorosłego zwierzęcia. Na 200 embrionów tylko jeden się rozwinął, koszty całego doświadczenia przekroczyły aż milion dolarów. jak łatwo się domyślić skutki takiego odkrycia mogą silnie pociągać, ciekawić, mogą także stać się wielkim zagrożeniem. Osiągnięcie to jednak było przełomowe. Głównym celem klonowania jest przede wszystkim zwiększenie ilości zwierząt, które mogą produkować ludzkie białka. Niedługo po sklonowaniu owcy, Amerykanie poinformowali cały świat o udanym sklonowaniu rezusa (małpy) w badawczym centrum w Oregonie. Różnica polegała na tym, że naukowcy ci wykorzystali komórkowy materiał z embrionu będącego we wczesnej rozwojowej fazie. Postępy dokonane przez biologów molekularnych i genetyko, zmuszają społeczeństwo do rozpatrzeniu problemu i wyzwania do którego nie jesteśmy praktycznie przygotowani. Z wielką ostrożnością podchodzić należy do klonowania ludzi, lecz nie można całkowicie zaprzeczyć sensowności idei powielania żywych organizmów. W 1998 w styczniu kilkanaście państw świata podpisało konwencję, która zabrania klonowania człowieka. Początkiem maja roku 2002 pierwszy raz na świecie płciowo niedojrzałe, bo 8-tygodniowe jagnięta posiadają potomstwo. Udało się dokonać tego naukowcom z krakowskiej Akademii Rolniczej przy pomocy czeskich uczonych. Od malutkich owieczek pobrano niedojrzałe płciowe komórki, umieszczono je następnie w specjalnej odżywce, umożliwiającej im w ciągu 24 godzin dojrzenie do rozmnażania oraz na koniec wszczepiono zarodek zastępczym matką. Po 146 dniach przyszły na świat zdrowe trojaczki. Zdaniem badaczy to pożyteczne osiągnięcie, powodujące, to że będą powstawały doskonalsze, posiadające gęstszą wełnę czy bardziej odżywcze mleko organizmy zwierzęce. Na dzień dzisiejszy można także otrzymać z tkankowej hodowli roślinnych komórek, rośliny homozygotyczne. Łącząc roślinne komórki można otrzymać mieszańcowe komórki. Z takich hodowli komórek otrzymać można nową roślinę, zatem z hodowli mieszańcowych komórek można uzyskać całe roślinne mieszańce, co ma wielkie praktyczne znaczenie. Ostatnio opracowano technikę otrzymywania fenokopii mutacji. Osobniki nazywamy fenokopiami mutacji, w których przejawiają się cechy typowe dla określonej mutacji, lecz bez zmodyfikowania genetycznego materiału. Prawdziwe fenokopie uzyskane zostały poprzez Jacoba, który zablokował translację określonego genu, a otrzymane w ten sposób fenokopie raczej były przypadkowe. doświadczenia genetycznej inżynierii pozwoliły także na lepsze zrozumienie problemu nowotworów. Wyższe organizmy, którym wprowadzono obcy gen, przekazywany go następnie pokoleniom w myśl podstawowych praw dziedziczenia, nazywamy transgenicznymi organizmami. Oto kilka przykładów takich organizmów:

  • w USA na poletkach doświadczalnych testuje się transgeniczny tytoń, odporny na herbicydy (środki chwastobójcze) ;
  • uzyskana w jednej z amerykańskich pracowniach biotechnologicznych firm transgeniczna bawełna wytwarza włókna zawierające małą domieszkę poliestru, co zwiększa termoizolacyjność tak otrzymanego materiału. Nie ma jednak jeszcze sukcesu gospodarczego na tym polu, lecz rośliny produkujące syntetyczne włókna nie są fikcją;
  • transgeniczne świnie i myszy wykorzystywane są w genetycznych badaniach ;
  • obecnie przeprowadza się badania nad przeniesieniem genów, które warunkują wiązanie azotu atmosferycznego z bakteryjnych komórek do roślin wyższych;
  • Hodowanie są ziemniaki transgeniczne, które produkują białko typu HSA (albuminę),odpowiedzialne za normalne osmotyczne ciśnienie osocza ludzkiej krwi;
  • Pomidory transgeniczne posiadają przedłużona trwałość bycia przechowywanym. W USA są sprzedawane powszechnie od roku 1994.

BEZPOŚREDNIE ZNACZENIE GENETYKI W ŻYCIU CZŁOWIEKA

Rozwój genetycznej inżynierii rozbudza nadzieje, głównie wśród ludzi dotkniętych genetycznymi anomaliami. Naukowcy rozpoczęli integrować w genetyczny materiał człowieka przeprowadzając tzw. genowe terapie, które mają wielką przyszłość. Polegać mają na:

  • substytucji (podstawieniu) "uszkodzonych" alleli prawidłowymi;
  • korekcjach("naprawach uszkodzonych" )genów;
  • wprowadzeniu, przykładowo drogą transdukcji genu normalnego do komórki zmutowanej;

W przypadku tym problemem jest to, że w jednej komórce istnieją dwa geny, a wynik ich wspólnego działania jest do przewidzenia trudny. Podobnych technicznych problemów jest znacznie więcej. Rozwiązania wymaga kwestia docierania z genową terapią do jak najliczniejszej ilości określonych komórek organizmu oraz precyzyjnego wszczepienia genów we właściwe miejsce na chromosomie. Niewłaściwa insercja być może w skutkach tragiczna, gdyż dojść może do unieczynnienia zupełnie innego genu , a to może prowadzić do pojawieniu się wielu u innych niepożądanych skutków. Oto kilka przykładów wspierania starań o poprawę życia i zdrowia przy użyciu współczesnej genetyki:

  • transgeniczne organizmy mogłyby "produkować" organy ludzkie niezbędne do wielu przeszczepów; eksperymenty tego rodzaju prowadzono już na transgenicznych świniach. Lecz jest to wstępny etap badań - jednakże wyniki są bardzo obiecujące;
  • upowszechnienie genowych terapii byłoby niewątpliwie wielkim osiągnięciem. Ogromne nadzieje obecnie wiąże się z walką z m. in. mukowiscydozą przy pomocy inhalacji zawierających wirusowe wektory. W wektorach wirusowych przenoszone są kodujące białko, prawidłowe geny, które aktywują chlorkowe kanały w komórkach osoby leczonej;
  • Wczesne wykrycie wielu dziedzicznych chorób możliwe jest dzięki użyciu sond molekularnych (są to genetyczne testy). Sondą zwykle jest odpowiedni fragment cDNA oznakowany radioaktywnie. Tego typu badania wykorzystują zdolność sondy molekularnej do hybrydyzacji (łączenia się) z określoną sekwencją DNA testowanego (mieszańcowe DNA wykrywa się radiograficznymi metodami). Z badań dokonanych w National Institutes of Health w Stanach Zjednoczonych wynika, iż w połowie roku 2000 wykorzystywano blisko kilkaset genetycznych testów. Przykładem są testy na wykrywanie zmienionych genów odpowiedzialnych za fenyloketonurię, chorobę Huntingtona, anemię sierpowatą, czy także istnienie zmutowanych BRCA- genów. W ostatnim przypadku jednak nie wiadomo na ile geny BRCA zwiększają ryzyko wystąpienia raka jajników lub piersi;
  • Transkryptomika jest dziedziną która polega na określaniu miejsca i czasu aktywności genów (celem jest powstanie ludzkiego transkryptonu, czyli ogółu mRNA wyprodukowanego przez komórki ludzkie). Aby rozpoznać sekwencję mRNA wykorzystuje się zwykle zdolność do hybrydyzacji cDNA. Takim sposobem można określić przykładowo aktywność genów w rakowych komórkach;
  • Proteomika opiera się na identyfikacji i określaniu białek kodowanych poprzez określone geny (celem jest określenie protenomu ludzkiego, czyli wszystkich białek wyprodukowanych przez komórki ludzkie). Poznanie sposobu produkcji oraz właściwości białek umożliwia szybkie opracowanie nowszych generacji leków, przykładowo wiążących białka wytwarzane przez nowotworowe komórki albo blokujących pewne geny.

ZNACZENIE GENETYKI W UPRAWIE ROŚLIN

Celem hodowlanych zabiegów jest stworzenie maksymalnie homozygotycznych odmian, ponieważ potomstwo ich jest bardziej jednorodnie, selekcjonowaniu ulegają głównie cechy determinowane poprzez recesywne allele, bądź też takie, które charakteryzują się brakiem dominacji zupełnej. By szybko osiągnąć ten celu przez kilka kolejnych pokoleń roślin przeprowadza się samozapylenie, zaś u zwierząt stosuje się chów wsobny -inbreeding, czyli kojarzenie blisko spokrewnionych osobników. Osiągnięcie homozygotyczności to idealne rozwiązanie, tymczasem w licznych wypadkach kolejne "wsobne" pokolenia są mniej żywotne oraz plenne. jedna z najczęstszych przyczyn takiego stanu rzeczy jest występowanie recesywnych, niekorzystnych genów, które w populacjach dzikich ujawniają się rzadko. Przed siedemdziesięciu laty wydawało się, iż sytuacja jest patowa, a sztuczna selekcja wprowadziła hodowców oraz rolników "ślepą uliczkę". Wielkim zdziwieniem amerykańskich badaczy było skrzyżowanie początkiem dwudziestych lat naszego stulecia, różnych rachityczne linii czystej kukurydzy. Część potomstwa (F1) takich krzyżówek bowiem wyrosło niezwykle bujnie, ku radości badaczy, wyraźnie przewyższając wszystkie znane odmiany plennością, zarówno te dzikie jak hodowane.