Inżynieria genetyczna w życiu codziennym.

Inżynieria genetyczna to nauka, która zajmuje się modyfikacjami materiału genetycznego organizmów żywych tak, by wykazywały określone cechy. Polega to na wprowadzaniu nowych genów z jednego organizmu do innego, lub usuwaniu poszczególnych genów z genomu. Ma to obecnie bardzo duże znaczenie dla nauki, medycyny, przemysłu farmaceutycznego, czy rolnictwa. Można w ten sposób sprawić, by takie organizmy jak bakterie wytwarzały ludzkie białko (np. insulinę) na wielką skalę oraz w czystej postaci, wprowadzając do ich genomu gen, który koduje jego syntezę. W zależności od tego, jaki gen chcemy wprowadzić, jakie skutki wywoła on w organizmie i jaki to będzie organizm stosuje się różne metody.

Materiał genetyczny, czyli genom to zbiór wszystkich genów organizmu. Geny z kolei są fragmentami nici kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA), które kodują pojedyncze cechy. Jest ich w komórce tak wiele, że kodują one wszystkie cechy organizmu, a w zasadzie kodują wszystkie białka organizmu, które niezbędne są do jego wzrostu i rozwoju. Są pewnego rodzaju instrukcją funkcjonowania organizmu, a instrukcja ta przekazywana jest kolejnym pokoleniom, które wykazują cechy organizmów rodzicielskich. Zmiany, które wprowadzane są genomach organizmów polegają na wprowadzaniu do nich genów, które nie występują w nich w naturze. Odbywa się to poprzez pobranie odpowiedniego genu z jednego organizmu, odpowiednie go przygotowanie i wstawienie za pomocą odpowiedniego nośnika do genomu drugiego organizmu. Kiedy nowy gen ulega ekspresji, organizm wykazuje cechę, która była wcześniej dla niego obca.

Zastosowanie inżynierii genetycznej

Najpowszechniej obecnie stosuje się hodowle niewielkich organizmów np. bakterii, które utrzymuje się w kulturach in vitro. Wprowadzając do nich nowe geny otrzymuje się w ten sposób liczne substancje białkowe, które później wykorzystywane są w medycynie (insulina, czynniki krzepliwości krwi itd.). Innym zastosowaniem jest opracowywanie tzw. terapii genowych, czyli leczenia chorób spowodowanych nieprawidłowościami genetycznymi. Terapia polega na zastępowaniu "chorego" genu jego zdrowym odpowiednikiem, co ma spowodować wyleczenie, lub zatrzymanie się choroby. Obecnie trwają intensywne eksperymenty na zwierzętach laboratoryjnych, a część z nich przeszło pomyślnie próby kliniczne. Jeszcze innym zastosowaniem jest wprowadzanie nowych genów do organizmów roślinnych. Szczególnym zainteresowaniem badaczy cieszą się rośliny o znaczeniu gospodarczym i przemysłowym. Badania na roślinach rozpoczęto dużo wcześniej niż na organizmach zwierzęcych, toteż są one bardziej zaawansowane, a rośliny modyfikowane genetycznie są już w powszechnym użyciu. Wprowadza się do nich najczęściej geny odpowiedzialne za odporność na pasożyty, różnego rodzaju choroby, czy zwiększające plony. Ostatnimi osiągnięciami są zmiany gnomów zwierząt hodowanych zarówno w laboratorium, jak i tych gospodarskich. Wprowadzane geny, podobnie jak u roślin mają uchronić zwierzęta przed chorobami, a w przypadku zwierząt gospodarskich także takie geny, które poprawiałyby ich mleczność, mięsność, czy wytwarzanie większej ilości, lepszej jakości wełny itp. Prowadzi się także eksperymenty, mające na celu wykorzystanie zwierząt do produkcji różnych białek, wykorzystywanych przez człowieka w medycynie, przez co można ograniczyć koszty i trudności związane z hodowlami bakterii, czy innych mikroorganizmów w laboratorium w tych samych celach.

Genetycznie modyfikowana żywność

Hodowla roślin uprawnych sięga tysięcy lat wstecz. Już od samego początku próbowano dobierać tak gatunki, by dawały jak największy plon, z czasem krzyżując je ze sobą, lub po prostu wybierając i rozmnażając najlepsze z nich. Wiele roślin obecnie uprawianych ma takie wartości odżywcze, które mogą być wykorzystane w walce z chorobami, czy jako środki wspomagające (witaminy i inne antyoksydanty). Od dawna prowadzi się badania, które mają na celu ulepszenie takich roślin, by wytwarzały więcej takich substancji lub wy syntezowały jeszcze inne. Efekt taki otrzymuje się wprowadzając do genomu rośliny wyjściowej gen lub geny pobrane od innych gatunków, czasem zupełnie niespokrewnionych. W związku z dużym znaczeniem takich badań dla gospodarki dotacje na nie zostały znacznie podniesione, po ogłoszeniu dość sporych osiągnięć na tym polu. Wcześniej powstawanie nowych gatunków, bardziej odpornych, czy dających większe plony odbywało się na zasadzie celowego krzyżowania gatunków posiadających pożądane cechy. Obecnie nie jest to już zatem tak czasochłonny i w dużej mierze przypadkowy proces. Obecnie mamy całkowita kontrolę nad wywoływaniem odpowiednich cech, umieszczając określony gen. Ponadto rośliny są organizmami, które bardzo dobrze poddają się zabiegom zmiany genomu, a z jednej zmodyfikowanej komórki można otrzymać całą roślinę. Najczęściej wprowadza się geny odpowiadające za takie cechy jak: odporność na warunki środowiska, kolor kwiatów, przedłużona ich trwałość, zintensyfikowanie smaku owoców. Inną zaletą prowadzenia badań opartych na ingerencji w genom na roślinach jest to, że nie wywołują one społecznego sprzeciwu i nie wiążą się z kwestiami natury etycznej, w przeciwieństwie do badań na ludziach i zwierzętach. Ponadto zasadniczą różnicą w przeprowadzaniu eksperymentów na roślinach i zwierzętach jest to, że rośliny to organizmy samożywne. Związana jest z tym dodatkowa ilość materiału genetycznego, który zawarty jest w chloroplastach. To właśnie geny znajdujące się w chloroplastowym DNA kodują większość cech organizmu odpowiadających za fotosyntezę. Fotosynteza z kolei stanowi o takich cechach rośliny jak zawartość substancji odżywczych, czy wielkość, co jest podstawą w hodowli roślin. A zatem dokonywanie zmian w DNA chloroplastowym mogłoby znacznie zwiększyć np. plonowanie roślin uprawnych.

Żywność modyfikowana genetycznie jest obecnie na świecie bardzo popularna i zyskuje coraz więcej zwolenników. Jeśli nie całe produkty, to na pewno bardzo duża część produktów zawiera składniki roślinne, które poddane były odpowiedniej zmianie w DNA. Mimo to ma ona także swoich zagorzałych przeciwników, zwłaszcza wśród ekologów oraz związków konsumentów, którzy obawiają się o przekłamywanie konsumentów, domagając się jednocześnie dokładnego opisu produktów, które zawierają składniki genetycznie zmienione. Innym aspektem hodowania roślin transgenicznych jest zagrożenie z ich strony roślin naturalnych, czyli zagrożenie bioróżnorodności. Rośliny zmienione np. w taki sposób, że są one bardziej odporne na susze i różne choroby z łatwością mogą konkurować z naturalną roślinnością danego obszaru, która takich cech nie posiada. Dlatego uprawy roślin modyfikowanych znajdują się cały czas pod ścisłą kontrolą. Innym zagrożeniem, które pokazywane jest przez przeciwników modyfikacji jest brak wiadomości na temat długoterminowych skutków spożywania takich pokarmów, z racji tego, że jeszcze nie upłynęło na tyle dużo czasu, móc je zaobserwować. Nie mniej jednak badania i eksperymenty wciąż trwają i modyfikowane są nowe gatunki. Wiadomo do tej pory o przynajmniej 38 takich roślinach, które zostały zmodyfikowane i przeszły wszystkie możliwe próby, także polowe. Transgeniczne kwiaty są obecnie tak samo rozpowszechnione jak i bawełna, tytoń, soja, pomidory, czy kukurydza. Pod względem dopuszczalności na rynek konsumencki takich produktów przodują zdecydowanie Stany Zjednoczone, gdzie produkty takie są znacznie bardziej popularne. Zaniepokojenie zwykłych ludzki, którzy mają znikomą wiedzę o genetyce bardzo często spowodowane jest faktem, jak bardzo różne geny, z organizmów zupełnie niespokrewnionych są łączone np. wprowadzanie genu pochodzącego od człowieka do roślin (ryż), czy zwierząt (pstrąg, łosoś) lub, co dziwniejsze geny pochodzące od mikroorganizmów (bakterie, wirusy) wprowadzane do roślin tj. ogórki i pomidory. Obecnie na międzynarodowym rynku znajduje się transgeniczne kukurydza i soja, a wciąż trwają negocjacje o dopuszczenie innych produktów. Jest to o tyle trudne, że brak świadomości społecznej rodzi sprzeciw, który niekiedy nie jest uzasadniony.

Początki terapii genowych

Jak wspomniano wcześniej jednym z zastosowań inżynierii genetycznej jest prowadzenie tzw. terapii genowej. Niesie ona ze sobą wielkie nadzieje na wyleczenie wielu poważnych chorób, w tym nowotworów. Zasada terapii genowej polega na zastąpieniu uszkodzonego genu, który w takim stanie powoduje chorobę, genem takim samym, ale prawidłowym. Wstawienie takiego genu odbywa się za pomocą wektorów wirusowych lub plazmidowych. Aby wprowadzić wirus do organizmu trzeba na początku usunąć z niego geny, które odpowiadają za jego właściwości chorobotwórcze, a następnie wprowadzić do jego genomu gen, który ma być przez niego przeniesiony do organizmu osoby chorej. Następnie wirusy wprowadza się do organizmu, gdzie wbudowują swój materiał genetyczny, wraz z dodatkowym genem do genomu osoby chorej. Metody takie są jeszcze na etapie prób i testów, a jednym z ważnych zastrzeżeń, które może stanowić poważne zagrożenie jest przypadkowość wbudowania się wprowadzanego genu. Może on zostać wbudowany w nieprawidłowy fragment DNA, powodując tym samym mutacje w innym genie, lub zupełnie nie ulegając ekspresji.

Inżynieria genetyczna a hodowle komórkowe

Łączeniem komórek gatunków, które nie są nawet ze sobą spokrewnione, czyli tworzeniem hybryd zajmuje się tzw. inżynieria komórkowa. Tworzenie hybryd to kolejna możliwość, jaką dały metody inżynierii genetycznej. Przykładem może być łączenie komórek roślin należących do bardzo różnych gatunków, co pozwala na otrzymanie rośliny o cechach pośrednich. Po połączeniu komórek klonuje się je, a następnie hoduje w specjalnych warunkach, czego rezultatem jest cała, zupełnie nowa roślina. W ten sposób otrzymano mieszańca, który wykazywał cechy pomidora i kalafiora.

Inżynieria genetyczna pozwala także na pozyskiwanie określonych białek z organizmów zwierzęcych poprzez wprowadzanie do nich odpowiedniego genu. Proces taki polega na wprowadzeniu genu umieszczonego na nośniku do komórki jajowej organizmu zwierzęcego, która wcześniej poddana była zapłodnieniu. Tak przygotowaną komórkę umieszcza się w macicy jakiejkolwiek samicy tego gatunku (niekoniecznie dawczyni jaja), gdzie rozwija się. Przykładem takiej modyfikacji może być wprowadzenie genu kodującego syntezę hormonu wzrostu do zarodka mysiego we wczesnej fazie rozwoju. Bardzo szybko rozwijał się on w macicy, w związku z podawaniem matce innych substancji wspomagających rozwój. Po urodzeniu myszka była dwa razy większa od przeciętnej myszy. Ponadto w związku z tym, że transgen został wprowadzony do zarodka w tak wczesnej fazie rozwoju, będzie on także obecny w komórkach linii płciowej u transgeniczne myszy, a zatem cecha zostanie przekazana kolejnym pokoleniom. Takie myszy z różnego rodzaju zmianami w genomie, dotyczącymi specyficznych cech, nie tylko morfologicznych są szeroko rozpowszechnione w laboratoriach na całym świecie, pozwalając na przeprowadzanie eksperymentów we wszystkich dziedzinach biologii, nie tylko genetyki i zagadnień dotyczących dziedziczenia. Jest to kolejne, oprócz wykorzystywania zwierząt do produkcji białek zastosowanie inżynierii genetycznej do badania różnego rodzaju problemów biologicznych. Takie zwierzęta transgeniczne przekazują nową cechę potomstwu, a jej podtrzymywanie polega na prowadzeniu chowu wsobnego. Co ważne wprowadzony nowy gen do organizmu zwierzęcego nie jest dla niego groźny, pod warunkiem, że włączy się on w odpowiednim miejscu nici DNA, a jego ekspresja uzależniona jest od sekwencji regulatorowej, z którą jest połączony. Jeśli np. do onkogenu dołączona zostanie sekwencja regulatorowa należąca do genu kodującego insulinę, to nowotwory powstawać będą w komórkach, które syntezują insulinę. Tworzenie takich zestawów genów i sekwencji regulatorowych jeszcze bardziej udoskonala i czyni całą metodę bardziej precyzyjną.

Hodowla zwierząt

Naturalną konsekwencją i krokiem na przód po zmianach genetycznych bakterii, grzybów, roślin, było stosowanie modyfikacji w genomach zwierząt. Początkowo były to bezkręgowce, jak muszka owocowa, później drobne laboratoryjne ssaki, aż w końcu przetestowano i tę technikę na większych zwierzętach gospodarskich. Jedną z najgłośniejszych spraw w ostatnich latach było klonowanie (o tym niżej), a najsłynniejszą owcą do dziś jest Dolly, którą udało się otrzymać w trakcie skomplikowanego i czasochłonnego procesu klonowania. Ponadto do jej genomu wprowadzono gen pochodzący od człowieka, który odpowiada za kodowanie czynnika IX krzepliwości krwi. Zatem mleko, które pochodziło od Dolly miało właściwości lecznicze dla człowieka, zwłaszcza dla ludzi chorych na hemofilię. Pierwsze sukcesy w modyfikowaniu zwierząt zachęciły naukowców do prób także na innych większych zwierzętach. Nie są to tylko badania dla samych badań, ale mają ścisłe powiązania z człowiekiem i medycyną. Większe zwierzęta są bardziej podobne pod pewnymi względami do człowieka, ich fizjologia, czy budowa organów, a zatem prawdopodobnie będą lepszymi modelami badawczymi niż myszy laboratoryjne, które nie odzwierciedlają tak dobrze defektów genetycznych człowieka.

Zastosowanie informatyki i matematyki w inżynierii genetycznej

Te na pozór odległe dziedziny wiedze są ze sobą bardzo blisko związane. Przykładem mogą być podjęte i sfinalizowane próby zsekwencjonowania genomu ludzkiego. Byłaby to niezmiernie żmudna praca, rozłożona na lata, gdyby nie zastosowanie komputerów i specjalnie napisanych programów, analizatorów i niewyobrażalnej mocy komputerów. Wystarczy wspomnieć, że ludzki genom to około 10 miliardów nukleotydów tworzących ok. 20 tysięcy genów.

Informatyka wykorzystywana jest także w projektowaniu cząsteczek leków, które tak dokładnie dopasowałyby się np. do wirusa, żeby go skutecznie unieruchomić i zablokować jego namnażanie się. Wystarczy wówczas wprowadzić do specjalnego programu komputerowego dokładny opis cząsteczki, którą chcemy zablokować, by wygenerowana została cząsteczka, która może się do niego przyłączyć w kluczowych miejscach i zablokować go. Na podstawie tego syntezuje się leki o ściśle określonej budowie chemicznej dopasowanej do choroby. Mimo tak wysoko rozwiniętej informatyki komputery wciąż nie są wystarczająco szybkie i nie zawsze bezbłędne, dlatego niezbędna jest jednak wiedza człowieka i wieloletnia praktyka.

Klonowanie

Omawiając proces klonowania sztucznego in vitro, należy zacząć od tego, że powstawanie klonów w przyrodzie jest procesem powszechnym w świecie roślin, z czego nie wszyscy sobie zdają sprawę. Pospolite rozmnażanie wegetatywne jest w rzeczywistości tworzeniem szeregu kopii, powielaniem materiału genetycznego organizmu rodzicielskiego. W warunkach naturalnych u organizmów rozmnażających się płciowo klonowanie nie występuje, ale stało się to możliwe w warunkach sztucznych. Organizmy, które powstały w wyniku klonowania posiadają identyczny genom, jak organizm, z którego zostało pobrane jądro komórkowe z materiałem genetycznym, ale nie są to organizmy te same i nie wszystkie ich cechy są identyczne z rodzicielskimi. Ma to szereg przyczyn zarówno związanych z samym procesem podziału komórki, jak i z czynnikami epigenetycznymi. A zatem absurdalne obawy o sklonowaniu np. zbrodniarzy wojennych nie mają podstaw naukowych. Podobnie jak w przypadku roślin, klonowanie pozwala także na tworzenie organizmów hybrydowych, wykazujących cechy obu organizmów, z których pobrany został materiał genetyczny.

Klonowanie w pewnym stopniu przypomina rozszczepienie bliźniacze, czyli powstanie bliźniąt jednojajowych. Rozszczepienie jest zjawiskiem, które występuje w warunkach naturalnych rzadko, ale polega na tym, że z zapłodnionej plemnikiem komórki jajowej powstaje zarodek, który we wczesnej fazie rozwoju rozdziela się na dwa osobne organizmy, ale posiadające identyczny genotyp. Klonowanie natomiast, jest procesem polegającym na wprowadzeniu do komórki jajowej jednego z organizmów jądra komórkowego komórki somatycznej innego z organizmów, który w tym przypadku jest dawcą materiału genetycznego. W obu przypadkach mamy jednakże do czynienia z dwoma identycznymi organizmami, pod względem genetycznym, ale powstałymi na różnej drodze.

Klonowanie ujawniło jeszcze jedną ważną cechę każdej komórki somatycznej organizmu. Dotychczasowy pogląd głosił, że jądro komórki po procesie różnicowania traci zdolność do kierowania procesami rozwojowymi młodego osobnika, a totipotencję wykazują tylko komórki w bardzo wczesnych fazach rozwoju. Ale klonowanie nie byłoby możliwe, gdyby nie wykazywanie totipotencji przez komórki nawet o wysokim stopniu wyspecjalizowania. Dzięki temu możliwy jest rozwój nowego organizmu z jądra pobranego z wyspecjalizowanej komórki somatycznej. Od klonowania większych ssaków dzieli nas już zatem tylko krok do klonowania ludzi. Wiąże się to nie tylko z wielkimi problemami natury technicznej, ale i moralnej i etycznej. W związku z tym, że klonowanie zwierząt nie jest techniką jeszcze dobrze opanowaną i nie znamy wszystkich jej skutków, klonowanie ludzi budzi wiele zastrzeżeń, ale nieuniknionym jest fakt, że kiedyś to nastąpi.

Inżynieria genetyczna z perspektywy zagrożeń, jakie niesie

Mimo wielkich korzyści dla człowieka, jakie niesie inżynieria genetyczna i wszystkie nauki z nią związane ma ona i te ciemniejsze strony. Stały się one jeszcze bardziej widoczne dzięki terrorystom, którzy nie zawahają się wykorzystać nauki i w swoim celu. Konwencje, które zabraniają użycia broni biologicznej nie są przez nich przestrzegane, a najgorsze scenariusze przewidują, że mogą oni zmodyfikować genomy bakterii lub wirusów groźnych chorób, które nie będą poddawać się leczeniu, ani szczepionkom. Takie wirusy mogą zagrażać nie tylko ludziom, ale hodowlom roślin czy zwierząt. Jest to o tyle ułatwione, że obecnie w hodowlach osobniki nie różnią się w dużym stopniu pod względem genetycznym, posiadają więc wiele takich samych cech i wystarczy ukierunkować taki mikroorganizm właśnie na tę cechę, aby zniszczyć wszystkie.

Kwestie etyczne są szeroko poruszane wraz z tematem inżynierii genetycznej i prawdą jest, ze wiele z badań porusza się po cienkiej linii oddzielającej dążenie nauki do udoskonalenia medycyny, a zatem pomocy wielu ludziom a niemoralnym wykorzystywaniem ludzkich komórek, narządów, embrionów do tych celów. Tu wkracza odwieczne pytanie w którym momencie zaczyna się ludzkie życie. Duże sprzeciwy budzi ostatnio dość rozpowszechnione pozyskiwanie ludzkich komórek macierzystych, które są totipotencjalne, a zatem mogą się przekształcać w jakiekolwiek inne komórki organizmu. Mogłyby być one wykorzystane w leczeniu wielu chorób degeneracyjnych np. martwicy włókien mięśnia sercowego, która często ma miejsce po zawale serca, czy chorobie Parkinsona, charakteryzującej się zanikiem neuronów w określonych partiach mózgu. Komórki macierzyste pozyskiwane od dorosłych ludzi, głownie ze szpiku, czy z krwi pępowinowej nie stanowią większego problemu, natomiast pobieranie takich komórek od płodów, czy zarodków jest już mocno problematyczne. Stąd już tylko krok dzieli nas od futurystycznej wizji hodowania ludzkich płodów, czy nawet ludzi do pozyskiwania organów.

Zagrożeniem, jakie niesie ze sobą modyfikowanie genetyczne roślin to przede wszystkim zagrożenie dla bioróżnorodności i obawa przed wypieraniem naturalnej roślinności, która jest oczywiście słabiej przystosowana niż ulepszone gatunki odporne na choroby, czy pasożyty. Oprócz bioróżnorodności roślin ważne jest także zachowanie bioróżnorodności mikroorganizmów.

Osiągnięcia inżynierii genetycznej wiążą się nie tylko z etyką i nauką, ale także z polityką i gospodarką. Oczywiste jest, że na tak zaawansowane badania stać tylko najbogatsze państwa świata, co sprawia, że wszystkie korzyści, jakie są efektem pracy naukowców spływają do kas tych właśnie państw, co powiększa jeszcze przepaść w rozwoju tych państw.

Wyrównywaniu tych różnic sprzyjałoby z pewnością wyhodowanie roślin, które mogłyby produkować szczepionkę na niektóre choroby, co byłoby ratunkiem dla krajów Trzeciego Świata, zapobiegając szerzeniu się epidemii i śmierci wielu ludzi.

Podsumowując, inżynieria genetyczna jest bardzo ważną, perspektywiczną i intensywnie rozwijającą się dziedziną współczesnej biologii. Mimo wielkich nadziei i sukcesów wiążą się z nią także niebezpieczeństwa dla nas samych. I to właśnie od nas zależy jak będziemy ją wykorzystywać.