Zastosowanie nauk genetycznych.

BIOTECHNOLOGIA.

Nie jest łatwo dokonać opisać wszystkie zagadnienia, którymi zajmuje się biotechnologia. Z tego właśnie powodu ograniczę się jedynie do omówienia kilku wybranych przykładów. Powszechnie panuje przekonanie, że inżynieria genetyczna jest tą gałęzią biotechnologii, która ma przed sobą najbardziej świetlaną przyszłość. To, że techniki stosowane w inżynierii genetycznej dają naukowcom niemal nieograniczone możliwości, nie powinno wywoływać u nikogo zdziwienia. Szereg produktów białkowych, które dotychczas można było pozyskiwać jedynie ze źródeł naturalnych, nie jest w stanie zaspokoić wciąż rosnącego zapotrzebowania. Techniki sztucznej rekombinacji DNA przyczyniły się do opracowania metod badania fundamentalnych mechanizmów działania żywych komórek, a także do rozwoju zupełnie nowych gałęzi technologicznych. W wielu przypadkach białka, a nawet całe żywe komórki w genomach, w których dokonano manipulacji genetycznych, odgrywają istotną rolę w życiu współczesnych ludzi. Najbardziej efektownych przykładów dostarcza współczesna medycyna oraz farmakologia. Rozwój technik inżynierii genetycznej umożliwił wprowadzenie do genomu bakterii E. coli genu ludzkiej insuliny, dzięki czemu mikroorganizm ten może syntetyzować wspomniane białko na skalę masową. Zanim uzyskano ekspresję insuliny w komórkach E. coli insulinę pozyskiwano jedynie z komórek trzustkowych zwierząt. Szereg osób chorych na cukrzycę, a więc zmuszonych do przyjmowania insuliny, nie tolerowało hormonu izolowanego od zwierząt, co manifestowało się wytworzeniem reakcji alergicznej. Należy bowiem zaznaczyć, że insulina izolowana od zwierząt różni się nieco pod względem sekwencji aminokwasowej od białka ludzkiego. Możliwość produkowania białka identycznego do ludzkiego dzięki zastosowaniu metody sztucznej rekombinacji DNA jest więc niezwykle istotne dla wszystkich osób chorujących na cukrzycę. Stosując identyczne metody zaczęto produkować ludzki hormon wzrostu. Jest on czynnikiem niezbędnym w terapii zaburzeń wzrostowych pojawiających się u części dzieci. Zanim inżynieria genetyczna dostarczyła odpowiednich narzędzi ludzki hormon wzrostu pozyskiwano tylko ze zwłok. Procedury stosowane do izolacji omawianego białka nie były odpowiednio wydajne, a ponad to część preparatów była zakażona wirusami, żyjącymi w ciele osób, od których izolowano próbki. Inżynieria genetyczna wychodzi również naprzeciw potrzebom osób chorych na hemofilię typu A. Ludzie ci muszą do otrzymywać białkowy czynnik krzepnięcia krwi, tzw. czynnik VIII. Podawanie im białka produkowanego z wykorzystaniem metod inżynierii genetycznej wyklucza ryzyko zakażenia ich wirusem HIV (patogenem prowadzącym do rozwoju AIDS). Jeżeli czynnik VIII jest izolowany z krwi istnieje pewne ryzyko zakażenia. Ilość produktów, które mogą być i są produkowane za pomocą metody sztucznej rekombinacji DNA ciągle wzrasta. Modyfikacji genetycznych można dokonywać nie tylko w genomach prokariontów, ale również w genomach wyższych organizmów eukariotycznych. Rośliny lub zwierzęta, którym wprowadzono do cząsteczki DNA obcy gen, określa się mianem organizmów transgenicznych. Określenie to odnosi się jedynie do roślin oraz zwierząt, a nie np. do eukariotycznych komórek drożdży. Aby fragment obcego DNA został wprowadzony do komórki i umieszczony w odpowiednim miejscu należy zastosować właściwe do tego celu narzędzia. Najczęściej używa się wektorów wirusowych. Inną równie popularną metodą jest wstrzykiwanie DNA wprost do komórki. Do wytwarzania białek zwierzęcych wykorzystuje się więc nie tylko bakterie, ale i same zwierzęta, niosące w swoich komórkach w określony sposób przygotowany gen. Tego typu zwierzęta transgeniczne uzyskuje się zazwyczaj wprowadzając żądany gen do zapłodnionej już komórki jajowej, używając do tego celu specjalnych igieł do mikroiniekcji. Tak zmodyfikowaną zygotę implantuje się, później w macicy, we wnętrzu której przechodzi ona wszystkie etapy rozwoju. Osobniki transgeniczne są powszechnie wykorzystywane w różnego typu badaniach naukowych. Eksperymenty te mogą dotyczyć np. procesów regulowania ekspresji genów, chorób genetycznych, funkcjonowania układu immunologicznego, czy genów prowadzących do rozwoju procesów nowotworowych. Kolejny istotnym osiągnięciem biotechnologii medycznej jest uzyskanie ekspresji czynnika hamującego namnażanie się wirusów- interferonu w komórkach bakterii. Równie ważne wydaje się być produkowany przez komórki drożdży antygen powierzchniowy wirusa żółtaczki. Jest to rodzaj szczepionki przeciw wirusowemu zapaleniu wątroby. Techniki opracowane na potrzeby inżynierii genetycznej znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, zaczynając od farmacji i produkcji leków, a kończąc na przemyśle alkoholowym i np. produkcji piwa. Zarówno medycyna, jak i wiele gałęzi przemysłu wiążą wielkie nadzieje z techniką umożliwiającą unieruchomienie enzymów na powierzchni trwałych złóż. W metodzie tej należy w pierwszej kolejności wyizolować oraz oczyścić białko enzymatyczne, a później połączyć je z podłożem stałym dbając jednocześnie o to, aby warunki całej procedury nie doprowadziły do jego zdenaturowania. Tak przygotowane złoże umieszcza się w pojemniku, przez który można następnie wolno przepuszczać roztwór, w którym znajdują się substraty reakcji katalizowanej przez unieruchomiony enzym. Można wymienić wiele zalet płynących z zastosowania opisanej metody. Z punktu widzenia medycyny korzystne byłoby związanie z podłożem takich enzymów, które w wyniku mutacji genetycznych nie funkcjonują w organizmie, co prowadzi do wystąpienia objawów chorobowych. Z taką sytuacją mamy do czynienia np. w wypadku fenyloketonurii. Związanie ze stałym podłożem enzymu metabolizującego fenyloalaninę i umieszczenie tego złoża w "pojemniku", przez który można by było przepuszczać krew pacjentów, oczyszczając ją dzięki temu z nadmiaru fenyloalaniny stanowiłoby prostą i niezwykle skuteczną terapię omawianej choroby.

Trwają również badania zmierzające do wykorzystania metod biotechnologii w celu wyprodukowania roślin potrafiących asymilować azot z atmosfery. Byłoby to niewątpliwie wielkim krokiem w kierunku rozwoju rolnictwa.

Biotechnologia znajduje także zastosowanie w procesach wytwarzania środków piorących. Metody biotechnologii są również szeroko stosowane w procesach oczyszczania wody, czy usuwania różnego typu zanieczyszczeń emitowanych do środowiska przez ludzi. Jako przykład można wymienić zmodyfikowane genetycznie grzyby lub bakterie posiadające potencjał do rozkładania pewnych zanieczyszczeń, między innymi siarki, czy ropy naftowej. Wprowadzenie ich do powszechnego stosowania jest jednak niezwykle skomplikowane, niesie bowiem ryzyko utraty kontroli nad takimi mikroorganizmami. Trudno byłoby sobie wyobrazić, jaką katastrofą byłoby rozprzestrzenienie się w środowisku bakterie rozkładające ropę naftową oraz jej pochodne.

Można podejrzewać, iż przykłady zastosowania biotechnologii będą się mnożyć w kolejnych latach, podobnie jak będzie wzrastać ilość nowych technik opracowanych na potrzeby tej nauki. Zrealizowanie zamierzonego efektu w inżynierii wymaga przeprowadzenia wielu różnych eksperymentów pomocniczych, a następnie prób zasadniczych, w których wykorzystuje się wiele komórek. Konieczne jest więc posiadanie dużej ilości genu, który ma być wprowadzony do komórki. Zwielokrotnienie kopii rządnego genu można osiągnąć stosując dwie techniki:

1. in vivo - wykorzystując klonowanie DNA, czyli wprowadzając określony gen do jądra komórki,
2. in vitro - stosując technikę PCR, pozwala na wydajne namnażanie wybranego fragmentu DNA w krótkim czasie.

Umieszczenie genu w określonym miejscu w genomie wymaga zastosowania właściwego wektora. Wektory stosuje się zarówno w procedurach związanych z klonowaniem, jak i modyfikacjami mającymi na celu uzyskanie ekspresji wprowadzonego genu. Można więc stwierdzić, że wektor jest czymś na kształt opakowania, we wnętrzu którego można bezpiecznie przenieść wybrany odcinek DNA do komórek docelowych. Wprowadzenie nieuszkodzonego DNA do komórki i zabezpieczenie go przed degradacją w jej wnętrzu nie oznacza jednak, że cała procedura zakończy się sukcesem. Największym wyzwaniem jest wprowadzenie genu we właściwe miejsce w genomie komórki docelowej. Jak dotąd nie opracowano metody pozwalającej na każdorazową insercję transgenu w wybrane miejsce. Pewną nadzieją na przezwyciężenie tego problemu są wektory wirusowe. Należy zaznaczyć, że wstawienie genu w nieodpowiednie miejsce może pociągnąć za sobą wiele niekorzystnych zjawisk, takich jak np. niezamierzone wyłączenie ważnego dla komórki genu. Aby uniknąć tego typu efektów ubocznych wykonuje się zazwyczaj dużą liczbę prób, a następnie selekcjonuje tylko te komórki, które wykazują ekspresję cechy niesionej przez transgen.

Wielu żyjących dziś ludzi, dzięki rozwojowi inżynierii genetycznej, odniosło wymierne korzyści. Zapewne nie mają oni wątpliwości, że ta dziedzina nauki może mieć niebagatelny wpływ na poprawienie komfortu życia przyszłych pokoleń. Mimo to nadal ma ona wielu przeciwników. Liczba osób przeciwnych rozwojowi inżynierii genetycznej zdecydowanie zmalała w porównaniu do początku lat osiemdziesiątych. W tym czasie nawet wielu naukowców obawiało się tego, że możliwość manipulowania genami, jaką niewątpliwie stwarza inżynieria genetyczna może (mówiąc kolokwialnie) przynieść więcej szkód niż pożytku. Wiele niepokoju wzbudzały wizje niezamierzonego wyprodukowania organizmu transgenicznego, który wywierałby niekorzystny wpływ na ekosystemy. Oczywiście nawet dziś istnieje ryzyko, że zmodyfikowane genetycznie bakterie, czy wirusy wymkną się z pod kontroli eksperymentatorów, ale jest ono bardzo nikłe. Naukowcy zajmujący się inżynierią genetyczną sami zadbali o to, aby przeprowadzane przez nich eksperymenty nie stanowiły zagrożenia dla środowiska oraz ich samych. Opracowali oni szereg szczegółowych przepisów dotyczących bezpieczeństwa pracy, których przestrzeganie musi być ściśle przestrzegane w każdym laboratorium. Minione dekady nie potwierdziły obaw żywionych w początkowym okresie rozwoju inżynierii genetycznej. Eksperymenty, podczas których wykonywano manipulacje genetyczne, były i są nadal bezpiecznie przeprowadzane w wielu laboratoriach uniwersyteckich oraz przemysłowych. Najgroźniejsze scenariusze, w których przewidywano przedostanie się zmienionych genetycznie bakterii do środowiska, pozostały nadal tylko fikcją. Być może również dlatego, że hodowane w laboratoriach szczepy bakterii E.coli w środowisku naturalnym giną bardzo szybko, bowiem nie są one w stanie wygrać konkurencji ze szczepami dzikimi. Aby ograniczyć zagrożenia płynące z eksperymentów genetycznych, doświadczenia szczególnie niebezpieczne są prowadzone w odpowiednio do tego celu zaprojektowanych pomieszczeniach laboratoryjnych. Stosowany tam system zabezpieczeń uniemożliwia przedostanie się groźnych patogenów poza pomieszczenie, w którym prowadzi się doświadczenie. Obawy przed niezamierzonym sklonowaniem genu, który nadawałby posiadającemu go organizmowi szczególnie niebezpieczne właściwości albo wydostaniem się takiego organizmu z miejsca, w którym został stworzony, przestały spędzać sen z powiek większości sceptyków. Oczywiście nie możemy w stu procentach stwierdzić, że taka sytuacja nigdy nie będzie miała miejsca lub, że nie będzie ona działaniem celowym i w pełni świadomym.

Dziś zdecydowana większość naukowców podpisuje się, pod stwierdzeniem, że metoda sztucznej rekombinacji DNA jest cennym narzędziem, a pojawiające się w przeszłości obawy jakoby mogła ona stanowić zagrożenie dla środowiska naturalnego oraz ludzi były znacznie wyolbrzymione. Od momentu kiedy przestano się obawiać inżynierii genetycznej znacznie złagodzono przepisy dotyczące stosowanych procedur. Nadal jednak utrzymano obostrzenia w tej sferze badań, która dotyczy eksperymentów z genami posiadających wysoki potencjał ryzyka i w odniesieniu do prac wykonywanych w wykorzystaniem potencjalnie niebezpiecznych genów, których wpływ na posiadające je organizmy nie został dokładnie zbadany. Ograniczenia dotyczą zwłaszcza takich projektów, które mają w założeniu wprowadzenie do ekosystemów naturalnych organizmów, których genom został genetycznie zmodyfikowany. Mowa tu między innymi o roślinach uprawianych na plantacjach, których pyłek albo nasiona mogłyby krzyżować się ze szczepami dzikimi i rozprzestrzeniać się bez kontroli hodowców. Poznanie ewentualnych skutków wprowadzenia do środowiska organizmów transgenicznych absorbuje uwagę wielu badaczy. Pozostaje nam więc mieć nadzieję, że w niedalekiej przyszłości uzyskamy odpowiedź na to pytanie jakie ryzyko może nieść ze sobą takie działanie.

INŻYNIERIA GENETYCZNA.

Mimo iż wydaje się to nieprawdopodobne, to ludzie od najdawniejszych czasów ingerowali w układy genów istniejące u hodowanych przez siebie zwierząt, czy uprawianych roślin. Od kilkudziesięciu lat zaczęto to czynić bardziej świadomie i wprowadzać w życie wiadomości, jakich dostarcza genetyka molekularna. Najbardziej wyrazistym przykładem wykorzystania wiedzy dostarczonej przez genetykę molekularną jest z pewnością inżynieria genetyczna. Mówiąc w skrócie inżynieria genetyczna sprowadza się do wycinania wybranego genu z genomu jednego organizmu i wprowadzania go do innego. Kolejnym etapem jest śledzenie zachowania nowego genu. Najważniejszą kwestią jest to czy ulega on replikacji oraz ekspresji.

TECHNIKI STOSOWANE W INŻYNIERII GENETYCZNEJ.

1. wprowadzenie wybranego genu do cząsteczki plazmidu i transformowanie nim komórek bakteryjnych. Metoda ta nie jest zbyt precyzyjna, a to czy do komórki danej bakterii dostanie się określony gen, czy nie jest kwestią przypadku.
2. wyizolowanie określonego genu i wprowadzenie go wprost do komórki docelowej.

Techniki opracowane na potrzeby inżynierii genetycznej pozwalają ciąć DNA wyizolowane od niemal dowolnych organizmów, a następnie wprowadzać je do sztucznych bądź naturalnych plazmidów i w tej wprowadzać je głównie do komórek bakterii.

Można stwierdzić, że celem jaki stawia sobie inżynieria genetyczna jest uczynienie genów wyizolowanych od jednych organizmów użytecznymi dla innych.

Wiedzą niezbędną dla osób, które zajmują się inżynierią genetyczną jest znajomość struktury cząsteczek DNA oraz reguł kodu genetycznego. Każdy gen wchodzący w skład genomu posiada określoną, właściwą sobie sekwencję (kolejność) nukleotydów. O tym w jakiej kolejności są one ułożone można wnioskować na podstawie kolejności aminokwasów budujących białko, kodowane przez gen.

Techniki inżynierii genetycznej pozwalają tak modyfikować komórki bakterii, aby były one w stanie produkować białka zwierzęce. Dzięki temu, organizmy, które większości osób kojarzą się z chorobami stały się mini fabrykami pracującymi na naszą korzyść. Bakterie produkują m. in. ludzką insulinę, pewne neurohormony oraz inne białka. Tego typu produkcja jest tania i wydajna. Można stwierdzić, że bakterie są ulubionym obiektem badawczym dla genetyków. Być może dlatego, że wprowadzenie obcych genów do wnętrza komórek wyższych organizmów jest o wiele trudniejsze. Wiedza oraz umiejętności posiadane przez eksperymentatorów pozwalają na wyizolowanie i hodowanie określonych tkanek zwierzęcych, a następnie wprowadzenie do nich transgenów. Wiele badań koncentruje się na transformowaniu zygot oraz gamet zwierząt takich jak np. myszy. Zabieg taki pozwala w stosunkowo prosty sposób uzyskać zwierzę, w którego każdej komórce są obecne geny innego gatunku. Wprowadzanie obcych genów do komórek roślinnych jest znacznie trudniejsze ze względu na obecność celulozowej ściany komórkowej. Operacje przeprowadzane na jądrach komórkowych albo całych komórkach stanowią przedmiot zainteresowania inżynierii komórkowej. Połączenie komórek pochodzących od dwóch różnych gatunków zwierząt pozwoliło uzyskać przeciwciała monoklonalne. Przeciwciała uzyskane w ten właśnie sposób są bardzo specyficzne, w przeciwieństwie do immunoglobulin izolowanych z krwi, które miały kontakt z różnymi antygenami.

Techniką szeroko stosowaną w ostatnich czasach jest klonowanie. W naturze również mamy do czynienia z tworzeniem klonów. Dzieje się tak np. w przypadku rozmnażania płciowego, kiedy organizm potomny jest w stu procentach identyczny z osobnikiem rodzicielskim. Można więc stwierdzić, że jest on jego klonem. W inżynierii genetycznej klonowanie sprowadza się pozyskiwania zbioru osobników posiadających dokładnie takie same geny jak osobnik rodzicielski, rozmnażający się płciowo. Próby klonowania zwierząt rozmnażających się wyłącznie płciowo podejmowano już w latach pięćdziesiątych. Początkowo dotyczyły one żab, głównie dlatego, że materiał do badań (skrzek) był łatwo dostępny i na tyle duży, że przeprowadzenie manipulacji polegającej na usunięciu jądra nie wymagało użycia zaawansowanej technologii. Klonowania dokonywano w ten sposób, że z niezapłodnionego jaja żaby usuwano się jądro komórkowe, a następnie na jego miejsce wprowadzano jedno z jąder rozwijającego się zarodka lub jądro wyizolowane z komórki somatycznej innego osobnika tego gatunku. W wyniku tak przeprowadzonego eksperymentu ze "zmodyfikowanych" jaj rozwijały się dorosłe osobniki, posiadające komórki o diploidalnym garniturze chromosomów i identyczne do osobników, od których pobrano jądra wykorzystane w eksperymencie. Od tego właśnie pochodzi nazwa klonowanie - w eksperymencie otrzymuje się wiele osobników identycznych do jednego osobnika, czyli jego klon. Dotychczas udało się otrzymać między innymi myszy homozygotyczne, czyli posiadające na chromosomach homologicznych identyczne geny. W roku 1997, w lutym naukowcy z Wielkiej Brytanii w Edynburgu poinformowali, że prace prowadzone nad sklonowaniem owcy zakończyły się sukcesem. W eksperymencie tym wykorzystali oni komórki pozyskane od dorosłego zwierzęcia. Mimo, że z ponad dwustu embrionów w pełni rozwinął się zaledwie jeden, a koszt eksperymentu przekroczył 1 mln dolarów, to skutki tego przedsięwzięcia mogą mieć wielkie znaczenie dla przyszłych pokoleń. Nie ulega wątpliwości, że osiągnięcie to miało niezwykłą wagę. Jednym z celów klonowania jest uzyskanie zwierząt wytwarzających ludzkie białka. Wkrótce po tym, jak Brytyjczycy sklonowali owcę, Amerykanie donosili, że uzyskali klon małpy - rezusa. Dokonali tego badacze z ośrodka w Oregonie. Różnica między wspomnianymi eksperymentami polegała na tym, że Amerykanie stosowali materiał pozyskany z komórek embrionalnych, znajdujących się w początkowej fazie rozwoju. Jest oczywiste, że postęp jaki dokonał się w ostatnich dziesięcioleciach w dziedzinie genetyki i biologii molekularnej, stawia przed nami pytania i wyzwania, do których z pewnością nie jesteśmy w pełni przygotowani. Na pewno należy zachować dużą ostrożność w kwestii eksperymentów prowadzonych nad klonowaniem ludzi, ale ogólny sens powielania organizmów posiadających określone cechy jest niezaprzeczalny. Aby zapobiec klonowaniu ludzi w 1998 roku, w styczniu, kilkanaście państw zawarło umowę zabraniającą prowadzenia eksperymentów zmierzających w tym celu.

Kolejnym wielkim sukcesem genetyków, tym razem pochodzących z naszego kraju, było uzyskanie owiec, które nie będąc dojrzałe pod względem płciowym (8 tygodni życia) "zostały rodzicami". Dokonali tego w maju 2002 roku naukowcy pracujący dla Akademii Rolniczej w Krakowie we współpracy z kolegami z Czech. W eksperymencie pobrali oni od wspomnianych niedojrzałych płciowo owiec ich komórki płciowe, inkubowali je przez 24 godziny w specjalnej odżywce, która przyspieszyła ich dojrzewanie, a po uzyskaniu zarodków, zaimplantowali je w macicy owcy, będącej matką zastępczą. Po upływie 146 dni, na świecie pojawiły się zdrowe trzy zdrowe jagnięta. Według naukowców jest to osiągnięcie niezwykłej wagi. Twierdzą oni, że zastosowanie odpowiednich procedur może zaowocować uzyskaniem osobników posiadających gęstszą wełnę albo mleko o zwiększonych walorach odżywczych.

Oczywiście procedury genetyki molekularnej nie są stosowane wyłącznie w odniesieniu do zwierząt. Można je z powodzeniem stosować również w hodowlach komórek roślinnych, uzyskując organizmy homozygotyczne. Łącząc komórki wyosobnione od różnych gatunków roślin można uzyskać komórki mieszańcowe. Z takich hodowli można następnie otrzymać całą, zupełnie nową roślinę. Takie mieszańce roślinne znajdują zastosowanie w ogrodnictwie, czy hodowlach prowadzonych na potrzeby florystyki. Stosunkowo nowa jest technika prowadząca do otrzymania fenokopii mutacji. U osobników tego typu manifestują się cechy właściwe dla określonej mutacji, nawet jeśli jest ona recesywna, przy czym nie dokonuje się tu żadnych modyfikacji w ich materiale genetycznym. Pierwsze fenokopie mutacji otrzymał Jacob, blokując translację wybranych genów. Trudno było jednak powtórzyć raz osiągnięty wynik.

Rozwój inżynierii genetycznej przyczynia się także do zgłębienia zagadnień dotyczących powstawania nowotworów.

Modyfikacje genetyczne mogą prowadzić do uzyskania organizmów transgenicznych. Określenie to odnosi się do organizmów wyższych, do genomu których wprowadzono nowy gen, pozyskany uprzednio z innego organizmu i dziedziczący się według podstawowych praw genetyki mendlowskiej wśród organizmów transgenicznych znalazły się:

• tytoń, uprawiany na eksperymentalnych poletkach w USA, któremu wprowadzono gen warunkujący odporność na chemiczne środki ochrony roślin - herbicydy,
• bawełna - otrzymana w laboratoriach jednej z firm biotechnologicznych z USA, wytwarzająca włókna, w których występuje nieznaczna domieszkę poliestru, co podnosi jej walory termoizolacyjne. Choć rośliny wytwarzające włókna syntetyczne nie stanowią już literackiej fikcji, to do wprowadzenia ich do powszechnej hodowli jest jeszcze bardzo daleko,
• myszy oraz świnie, stanowiące przedmiot badań genetyków,
• rośliny wyższe z bakteryjnymi genami pozwalającymi im asymilować wolny azot atmosferyczny, projekt jest wciąż na etapie wstępnych eksperymentów,
• ziemniaki zdolne do wytwarzania ludzkiego białka tzw. albuminy HSA, odpowiadającego za utrzymywanie właściwego ciśnienia osmotycznego krwi,
• pomidory posiadające gen sprawiający, że można je dłużej przechowywać, w USA znajdują się one na półkach sklepowych już od roku 1994.

BEZPOŚREDNI WPŁYW GENETYKI NA ŻYCIE WSPÓŁCZESNYCH LUDZI.

Postęp dokonujący się w sferze inżynierii genetycznej pozwala mieć nadzieję na poprawę jakości życia ludzi cierpiących z powodu chorób o podłożu genetycznym. Naukowcy rozpoczęli bowiem prace zmierzające do opracowania metod pozwalających w sposób bezpieczny i skuteczny integrować w ludzki genom, tak aby zniwelować pojawiające się wady genetyczne. Terapia genowa mogłaby polegać na:

1. podstawieniu (substytucji) genów zmutowanych ich prawidłowymi formami,

2. korygowaniu uszkodzonych genów,

3. wprowadzeniu do komórki np. metodą transdukcji prawidłowej formy genu do komórki, w której doszło do mutacji.

W przypadku podejmowania prób zastosowania terapii genowej podstawowym problemem jest to, że w komórce zawsze znajdują się dwie wersje tego samego genu. Tak więc, mimo że do komórki uda się wprowadzić prawidłowy gen, to trudno jest przewidzieć efekty takiego posunięcia. Nie wiadomo, jakie mogą być skutki funkcjonowania w komórce dwóch kopii określonego genu. Istnieje dużo więcej podobnych problemów natury technicznych. Nadal trzeba się zastanowić jak udoskonalić stosowane techniki, aby można było wprowadzać geny do możliwie największej liczby wybranych komórek organizmu i jak najbardziej precyzyjnego wprowadzenia genów w ściśle określone miejsca w chromosomie. Insercja genu w niewłaściwe miejsce może okazać się tragiczna w skutkach; może np. przyczynić się do unieczynnienia genu pełniącego w komórce kluczową rolę.

Istnieje szereg przykładów potwierdzających to, że współczesna genetyka przyczynia się do poprawy stanu zdrowia wielu osób. Można tu wspomnieć o:

• organizmach transgenicznych, jako o potencjalnym źródle ludzkich organów z przeznaczeniem do transplantacji, jako przykład można podać transgeniczne świnie. Eksperymenty te są dopiero we wczesnym etapie doświadczalnym, ale uzyskiwane wyniki są bardzo obiecujące.
• zwiększenie dostępności terapii genowych - co niewątpliwie byłoby osiągnięciem o wielkim znaczeniu. Wielkie nadzieje są wiązane z terapią między innymi mukowiscydozy. Opracowywane są specjalne aerozole do inhalacji, w których zostałyby umieszczone wektory wirusowe, przenoszące geny terapeutyczne. Geny te kodują białko, odpowiedzialne za aktywacją i otwieranie kanałów chlorkowych, które źle funkcjonują u chorych cierpiących na mukowiscydozę.
• szybka diagnostyka i wczesne wykrywanie wielu chorób o podłożu genetycznym dzięki zastosowaniu testów genetycznych, czyli sond molekularnych. We wspomnianych testach stosuje się wyznakowane izotopami fragmenty cDNA, homologiczne do szukanych genów. Wyznakowana sonda hybrydyzuje (łączy się) z odpowiednią sekwencją DNA poddawanego testowi. Powstałe w ten sposób dwuniciowe cząsteczki mieszańcowego DNA, wykrywa się za pomocą metod radiograficznych. Dane zebrane przez National Institutes of Health z USA dowodzą, że do połowy roku 2000 opracowano około kilkuset sond molekularnych. Przykładem powszechnie już stosowanych testów genetycznych mogą byś sondy ukierunkowane na wykrywanie mutacji genów, które są odpowiedzialne za pojawienie się zmian chorobowych typowych dla fenyloketonurii, choroby Huntingtona, anemii sierpowatej, czy mutacji w obrębie genów z rodziny brca. Ta grupa genów jest odpowiedzialna za zwiększenie ryzyka wystąpienia raka jajników albo piersi.
• Transkryptomika, czyli gałąź nauki zajmująca się zbadaniem lokalizacji oraz mechanizmów odpowiadających za aktywację genów składających się na genom wybranego organizmu. Trwają prace nad opracowaniem ludzkiego transkryptomu, czyli poznaniem wszystkich cząsteczek mRNA syntetyzowanych na matrycy naszego genomu. W celu rozpoznawania pozyskanej cząsteczki mRNA stosuje się hybrydyzację z cząsteczkami cDNA. Tą technikę stosuje się również do badania aktywności wybranych genów funkcjonujących w komórkach nowotworowych.
• proteomika jest dziedziną nauki parającą się badaniem korelacji między białkami i genami, czyli odnajdywaniem genów kodujących wybrane białka. Dąży się do poznania całego proteomu ludzkiego. Im więcej wiemy o tym jakie istnieją zależności między genami, a białkami tym łatwiej będzie opracować nowe leki, zawierające molekuły zdolne np. do blokowania transkrypcji, czy translacji onkogenów lub inaktywujących kodowane przez nie białka.

WPŁYW GENETYKI NA GOSPODARKĘ LUDZI.

Dążeniem hodowców jest uzyskanie odmian jak najbardziej homozygotycznych, gdyż potomstwo takich osobników wykazuje mniejszą zmienność, co pozwala na utrzymanie pożądanych cech. U osobników homozygotycznych można uzyskać ekspresję cech kodowanych przez geny recesywne lub niewykazujące pełnej dominacji.

Cel ten można uzyskać stosując u zwierząt tzw. chów wsobny (inbreeding), polegający na krzyżowaniu osobników spokrewnionych, natomiast w przypadku zwierząt stosuje się samozapylenie. Niestety chów wsobny okazał się być niekorzystny, ponieważ kolejne pokolenia posiadały coraz więcej cech patologicznych, były coraz mniej płodne oraz mniej żywotne. Zazwyczaj przyczyną tego zjawiska jest właśnie ujawnienie się negatywnych cech recesywnych, które populacjach naturalnych są eliminowane. W pewnym momencie wydawało się, że stosowanie chowu wsobnego należy zdecydowanie zarzucić. Wielkie więc było zaskoczenie amerykańskich naukowców, którzy w latach dwudziestych dwudziestego wieku skrzyżowali ze sobą kilka rachitycznych odmian czystej kukurydzy i uzyskali niezwykle bujne potomstwo. Rośliny z pokolenia F1wykazywały znacznie większą plenność niż ogół znanych wówczas odmian. Skutkiem tej sytuacji było uzyskanie znacznego poziomu heterozygotyczności nowych mieszańców. Jak wiadomo u heterozygot cechy negatywne są zazwyczaj maskowane. Do dziś nie wyjaśniono dokładnych mechanizmów odpowiadających za przewagę, jaką heterozygoty posiadają nad homozygotami.

Innym zabiegiem hodowlanym jest krzyżowanie rasotwórcze. Celem tych zabiegów jest uzyskanie nowych ras, jeszcze lepiej niż dotychczasowe przystosowanych do panujących warunków środowiskowych. Nowe rasy można uzyskać stosując zarówno opisany już chów wsobny lub krzyżując kilka ras, posiadających interesujące cechy. Uzyskanie nowej rasy zabiera dużo czasu, a dzieje się tak dlatego, że kolejne pokolenia wykazują dużą zmienność cech. Można stwierdzić, że uzyskało się nową rasę dopiero wówczas, gdy odpowiednio liczna grupa zwierząt cechuje się dużym ujednoliceniem cech budowy, a kolejne pokolenia nie wykazują zmienności większej niż stado rodzicielskie. Polscy hodowcy zamierzają na przykład uzyskać nową rasę owiec, która miałaby długą wełnę. Do celów krzyżowania rasotwórczego wykorzystuje się zjawisko heterozji. W tym celu wybiera się osobniki z należące do dwóch różnych ras, w których pożądane przez hodowcę cechy są dobrze wyrażone i krzyżuje się je ze sobą. W ten sposób można stosunkowo łatwo uzyskać mieszańce, u których występują obie cechy. Dziś oprócz krzyżowania osobników pomiędzy rasami podejmuje się także próby kojarzenia osobników pomiędzy gatunkami. Istotną przeszkodą w tym procesie są różnice dotyczące ilości chromosomów ora z cech anatomicznych i fizjologicznych. Jak dotąd udało się skrzyżować konia z osłem (uzyskano muła) oraz żubra z bydłem domowym. Niestety zazwyczaj tego typu mieszańce są bezpłodne. Wszystkie opisane metody krzyżowania zmierzają do podniesienia wydajności hodowli, dzięki czemu stałaby się ona bardziej opłacalna pod względem ekonomicznym.

Podobne cele przyświecają hodowcom uprawiającym rośliny. Także oni chcą uzyskać nowe, bardziej interesujące odmiany. Dotychczasowe doświadczenia wskazują, że prowadzenie tzw. hodowli zachowawczej w krótkim czasie skutkuje pogorszeniem jakości materiału siewnego oraz obniżeniem plenności. Hodowla twórcza, której założeniem jest uzyskiwanie nowych odmian, prowadzi do zdecydowanej poprawy jakości uzyskiwanych plonów.

Do efektów krzyżowania należą:

• transgresja,
• zwiększenie możliwości adaptacji roślin do nowych warunków środowiskowych,
• niespotykane dotąd kombinacje cech,
• epistazja (dominacja jednego genu nieallelicznego nad innym),
• niespotykane dotychczas sprzężenia genów.

Należy zaznaczyć, że jeżeli określona cecha należy do tzw. jednogenowych, to może bardzo nieznacznie zmieniać się pod wpływem środowiska. Cechy wielogenowe prowadzą do uzyskiwania bardzo dużej zmienności wśród osobników potomnych, co z punktu widzenia hodowcy może być zjawiskiem niekorzystnym. Zjawisko to określa się mianem transgresji. Można je zilustrować następującą krzyżówką:

rodzice (P) AA bb x aa BB

pokolenie 1 (F1) Aa Bb

pokolenie 2 (F2) AA Bb, Aa BB, Aa Bb, aa bb, Aa bb, aa Bb, AA BB, AA bb, aa BB

Istotą zjawiska transgresji jest zatem wykształcenie określonej cechy powyżej zmienności występującej u osobników rodzicielskich. Przyczyną tak dużej zmienności jest sumowanie się efektów genów dominujących lub genów recesywnych.

Nikt chyba nie ma wątpliwości co do tego, że genetyka jest bardzo obszernym działem nauki, a w niniejszej pracy przedstawiona została jedynie znikoma część wiedzy, którą dziś dysponujemy. Trudno nie doceniać znaczenia tej nauki dla człowieka i równie trudno przewidzieć skutki nieustannie trwającej "zabawy z genami".