Inżynieria genetyczna jest to dziedzina badań, technologii i przemysłu, której istotą jest modyfikacja informacji genetycznej zapisanej w DNA. W drodze tych modyfikacji wybrane geny mogą być z genomu usuwane i do niego dodawane, lub też zmieniana jest ich ekspresja. Geny mogą być przenoszone przy pomocy tak zwanych wektorów (plazmidy, wirusy) pomiędzy osobnikami tego samego gatunku (np poprawny gen zastępujący gen wadliwy u chorych na mukowiscydozę, czy u dzieci z upośledzeniem odporności - tzw. "terapia genowa") lub między przedstawicielami nawet odległych gatunków (tworzenie organizmów transgenicznych). Słowo "inżynieria" jest pokrewne angielskiemu engine, co oznacza maszynę. Anglię uważa się za kolebkę "pary i elektryczności". Inżynieria oznacza znajomość maszyn, obsługę maszyn. Skąd więc takie zaskakujące przejście do genetyki? W XX wieku nastąpiło przełomowe odkrycie: struktury podwójnej helisy DNA. Jest on, jak wiadomo, nośnikiem informacji genetycznej, z pokolenia na pokolenie przekazywanej podczas rozrodu. Wraz z określeniem struktury DNA stało się jasne, w jaki sposób się on replikuje, a w kolejnych latach rozszyfrowano też tabelę kodu genetycznego i przebieg biosyntezy białka. W miarę narastania liczby odkryć narzucała się analogia do skomplikowanej maszyny, czy raczej nad wyraz złożonej maszynerii, gdzie rolę "trybików" odgrywały cząsteczki białek, a "produktem" był właśnie DNA. Maszyna ta odtwarza się od podstaw w każdym pokoleniu w oparciu o instrukcję zawartą w tym samym DNA. Replikacja jednak nigdy nie jest całkiem wierna. Instrukcja zawiera więc warianty oboczne, które egzystują w populacji obok siebie. Podczas rozrodu zapisy informacji genetycznej dwóch osobników są powielane (faza S przed mejozą) i cięte na kawałki ("pojedyncze zdania" lub "fragmenty tekstu"), z których zupełnie losowo "sklejane" są z powrotem w setkach kombinacji (crossing-over, losowe łączenie się gamet). Tak dobry wgląd w "obróbkę" materiału genetycznego umożliwił ingerencję uczonych w różne etapy procesu. Potrafią oni już dzisiaj z osobna wymieniać zębate kółka tej maszyny, zatrzymywać je lub przeciwnie, oliwić, by kręciły się sprawniej. Co więcej, możliwe stało się łączenie ze sobą fragmentów pochodzących z zupełnie różnych maszyn, tak, by powstała nowa, efektywniejsza. Kolebką inżynierii genetycznej stała się Anglia. To tutaj, w Cambridge, rozszyfrowano "zagadkę życia" w 1953 roku. W 1975 Fred Sanger i A. R. Coulson stworzyli sposób na badanie sekwencji nukleotydów w DNA. W 1990 w Szkocji urodziła się pierwsza transgeniczna owca, a siedem lat później Edynburg stał się miejscem przyjścia na świat pierwszego sklonowanego ssaka. Owieczka Dolly nie miała ojca, miała za to aż trzy matki.

Inżynieria genetyczna jest ogromną szansą dla ludzi dotkniętych lub tylko zagrożonych defektem genetycznym, ponieważ stwarza nadzieje na tzw. terapie genowe obliczone na niwelowanie skutków tzw. punktowych mutacji DNA. Przewiduje się trzy sposoby ich prowadzenia: albo w formie molekularnej naprawy genu, albo jako "wymianę" genów wadliwych na prawidłowe, albo, co wydaje się najprostsze, przez wprowadzenie prawidłowego genu do komórki, by jego ekspresja zrównoważyła skutki mutacji lub je zdominowała. Znamy wiele "klasycznych" chorób genetycznych dotykających ogromny procent światowej populacji. Coraz więcej "zwyczajnych", niepodejrzewanych o to wcześniej zespołów chorobowych ujawnia swoje uwarunkowania dziedziczne (np anoreksja). Głównym skutkiem mutacji punktowych i przyczyną rozlicznych objawów chorobowych jest zanik produkcji jakiegoś białka lub biosynteza nieprawidłowej jego formy, np takiej, która nie jest usuwana poza obręb komórki, lecz akumuluje się w niej w postaci złogów. Klasyczny syndrom tego typu to choroba Alzheimera, choroba Parkinsona. Przyczyną hemofilii jest brak któregoś z czynników krzepnięcia krwi, albinizmu brak melaniny, karłowatości - niedobór hormonu wzrostu, a cukrzycy niedobór insuliny. Dostarczenie organizmowi białka z zewnątrz jest obecnie jedyną terapią takich schorzeń. Hormony pozyskiwane być mogą od zwierząt, głównie bydła, jednak wymaga to uśmiercania dużej ilości osobników, a białko nigdy nie jest identyczne z ludzkim i nie jest skuteczne w 100%. Hormon wzrostu można izolować jedynie z mózgów ludzkich post mortem. Inżynieria genetyczna pomogła opracować nowe metody pozyskiwania białka. Bakterie na przykład wydzielają je na zewnątrz swoich komórek, a błyskawicznie się mnożąc, produkują go duże ilości i tanim kosztem. Terapeutyk jest następnie izolowany z kultur i oczyszczany. Króliki (ale też krowy i owce) wydzielają potrzebne białko w mleku. W obu przypadkach klonowany i transfekowany gen jest genem ludzkim, a białko w pełni identyczne z odpowiednikiem produkowanym w organizmie człowieka.

W ten sposób uzyskuje się nie tylko leki, ale również szczepionki. Drożdże są organizmami znanymi ze swego wykorzystania w produkcji szczepionek antywirusowych. Między innymi prowadzi się badania nad uzyskiwaniem szczepionki przeciwko AIDS z wykorzystaniem bakterii lub drożdży. Opracowuje się genetycznie zmodyfikowaną sałatę, w której liściach znalazłaby się szczepionka przeciw wirusowi zapalenia wątroby, normalnie przenoszonemu drogą pokarmową ("choroba brudnych rąk"). Swobodzie prowadzenia tego typu prób i korzystania z ich wyników na szerszą skalę stoją nieuzasadnione obawy przed GMO, znajdujące swój wyraz m.in. w dyrektywach Unii Europejskiej. Bakterie Escherichia coli, jedne z najpowszechniejszych drobnoustrojów w otoczeniu człowieka i komensale jelita grubego, są "zmuszane" do produkcji leków przeciwzakrzepowych i całego szeregu innych. Samo uzyskanie transgenicznej bakterii jest kosztowne, za to mnożąc się w pożywce dostarcza ona ogromnych ilości leku w krótkim czasie. Również bakterie wytwarzają szczepionkę na pryszczycę. Wirus pryszczycy posiada szczególnie duży genom, toteż do znacznych osiągnięć zalicza się odnalezienie w nim genu otoczki białkowej, a następnie sklonowanie go do postaci cDNA (DNA komplementarny do mRNA). Ekspresja cDNA w komórkach bakterii dostarcza materiału do opracowania skutecznej szczepionki.

Oprócz wspomnianych hormonów, zastosowanie transgenów w obejmuje też interferony, interleukiny i erytropoetynę. Dwa pierwsze białka oddziałują z układem odpornościowym. Interferony wygaszają infekcje wirusowe i procesy nowotworowe wpływając na właściwości białych ciałek krwi, natomiast erytropoetyna stymuluje produkcję krwinek czerwonych, co ma znaczenie przy anemii. Wciąż nowe leki czekają na wdrożenie.

Jak wiemy, za każdą chorobą nowotworową stoi nieprawidłowość działania genów. Perspektywy związane z genową terapią nowotworów dotyczą oddziaływania na aktywne onkogeny tak, by je wyciszyć. Możliwe jest też kombinowanie genoterapii z farmakoterapią lub radioterapią. Warunkiem skuteczności jest wybiórcze wprowadzanie genu do komórek nowotworowych, a nie do zdrowych. Lek o nazwie gancyklowir, stosowany w leczeniu m.in. raka jajnik i mózgu, jest aktywny tylko w komórkach nowotworowych, do których wcześniej wprowadzono gen kinazy tymidynowej wirusa opryszczki. Pewną ciekawostką jest to, że wirusy, śmiertelnie wrogowie człowieka, wykorzystuje się obecnie jako źródło wybiórczych genów albo jako wektory wprowadzające geny do komórek. Przecież w tym się specjalizują. Uprzednio pozbawia się wektor zdolności wywoływania choroby (wirulencji).

Sondą molekularną nazywamy krótki odcinek cDNA o określonej sekwencji nukleotydów, zdolny hybrydyzować z komplementarnym fragmentem w genomie. Wyznakowanie sondy barwnikiem pozwala na jego detekcję w badanej komórce, w razie gdy hybrydyzacja ma miejsce (gdy sonda "nie pasuje" do żadnego rejonu genomu, oczywiście preparat "nie świeci"). Dobierane sekwencje DNA są na tyle specyficzne, że niweluje się możliwość hybrydyzacji w innym miejscu przez przypadek podobnym. Poszukiwane sekwencje mogą być charakterystyczne np dla zmutowanego allelu odpowiedzialnego za chorobę Huntingtona lub inne choroby dziedziczne. Niestety tego rodzaju badania są kontrowersyjne etycznie. Stosuje się je po zapłodnieniu in vitro, aby wyeliminować zarodki obarczone wadą genetyczną. Możliwa jest selekcja zarodków np ze względu na kolor oczu, spodziewane zdolności dziecka, poziom inteligencji. Nigdy jednak nie ma pewności, że dziecko będzie nie tylko takie, jak "planują" rodzice, ale w ogóle zdrowe. Przeciwnie, nie ma pewności, że zachoruje dziecko podejrzewane o wadę. Tym, co jest nieetyczne, jest samo generowanie dużej liczby zarodków, by większość z nich później zniszczyć, nawet jeżeli miałaby się pojawić metoda terapii genowej stosowana już na tym etapie życia.

Dynamicznie rozwijającą się dziedziną medycyny jest transplantologia. Jej trudność polega na braku odpowiedniej liczby organów zastępczych i niezgodności ich antygenów z antygenami biorcy. Aby nie dochodziło do odrzuceń, powinny być one jak najbliższe pod względem budowy molekularnej, w innym przypadku system immunologiczny należy "uśpić", co osłabia z kolei odporność na choroby. Dzięki inżynierii genetycznej możliwe stanie się wkrótce hodowanie organów zastępczych w organizmach zwierząt, którym wszczepiono geny zgodności tkankowej biorcy. Najlepszym kandydatem do tego rodzaju przedsięwzięć są ssaki, których organy wielkością i parametrami funkcjonalnymi zbliżają się do ludzkich, głównie świnie.

Kolejnym "gorącym tematem" inżynierii genetycznej jest klonowanie organizmów. Klonowanie to inaczej powtarzanie, powielanie. Wyższe zwierzęta można klonować rozbijając ich wczesne zarodki na pojedyncze komórki, wprowadzając DNA komórek somatycznych do oocytów lub kombinując obydwie metody, to znaczy wprowadzając DNA somatyczny do komórek rozbitego zarodka. Wadą drugiej z metod jest wiek nowonarodzonego ssaka, taki, jak dawcy DNA. Tym sposobem sklonowano owcę Dolly (1996), która żyła tylko sześć lat (owce żyją kilkanaście). Późniejsze doświadczenia Amerykanów doprowadziły m.in. do powołania na świat stada ogierów, będących klonami, których zegar biologiczny "tyka" nawet wolniej, niż koni urodzonych naturalnie (są długowieczne). O klonowaniu człowieka mówi się wiele, nikt jednak nie podał dotąd racjonalnego powodu, dla jakiego miałoby się je uskutecznić. Jedynym postulatem jest "motyw poznawczy", ale doświadczenia na innych ssakach powinny dostatecznie zaspokoić naszą ciekawość. Klonowanie, podobnie jak zapłodnienie in vitro, wiąże się z niszczeniem żyjących embrionów, a ponadto nie do przewidzenia jest wpływ zabiegu na żywotność dziecka.

Inżynieria genetyczna staje się powoli i niezauważalnie towarzyszem naszego życia. W USA żeby kupić wiktuał, co do którego ma się pewność, że jakikolwiek jego składnik nie pochodzi z upraw genetycznie zmodyfikowanych, trzeba chodzić do sklepów ze "zdrową żywnością". Ale co powiemy wkrótce o jabłku, którego zjedzenie będzie chronić nasze zęby przed próchnicą?

Słowniczek

INTERLEUKINY - glikoproteiny wytwarzane przez komórki układu odpornościowego (leukocyty) służące jako sygnały w ich wzajemnej komunikacji (inter - leukiny). Dzielą się na szereg klas, z których część podtrzymuje i rozwija odpowiedź immunologiczną (interleukiny prozapalne), a część ją wygasza (przeciwzapalne). Oddziałują także na szereg innych komórek spoza układu immunologicznego, głównie na komórki układu nerwowego, gruczołów dokrewnych czy wątroby. Odpowiedzią na pojawienie się interleukiny jest proliferacja komórki, która została pobudzona, rozpoczęcie produkcji przez nią przeciwciał i innych białek (w tym innych interleukin) lub przeciwnie, jej "uśpienie", a w krańcowym przypadku apoptoza (naturalna śmierć). Specyficzne interleukiny wytwarzane są m.in. przez limfocyty (limfokiny), monocyty (monokiny) i inne typy komórek (cytokiny), choć podział ten ma coraz słabsze uzasadnienie.

ORGANIZM TRANSGENICZY posiada w swoim genomie sekwencję DNA, której nie miało żadne z jego rodziców, została natomiast sztucznie przeszczepiona z innego organizmu (np innego gatunku). Możliwe jest przenoszenie genów pomiędzy przedstawicielami wszystkich królestw świata żywego. Obecnie korzysta się w rolnictwie i przemyśle z transgenicznych zwierząt, roślin i bakterii.

TRANSDUKCJA - wprowadzanie genu do komórki bakterii z wykorzystaniem wirusa (bakteriofaga).

TRANSGEN - gen wyizolowany z jednej komórki (organizmu), sklonowany i przeniesiony sztucznie do innej komórki (organizmu) przy użyciu wektora. Biorcę, u którego fen podjął swoją funkcję, określa się jako organizm transgeniczny.