Mitä geneettisesti muunnettuja organismeja ja miten niitä tehdään?

Mikä GMO on?

GMO on lyhyt "muuntogeeniselle organismille". Geneettinen muunnos on ollut jo vuosikymmenien ajan ja on tehokkain ja nopein tapa luoda kasvi tai eläin, jolla on erityinen piirre tai ominaisuus. Se mahdollistaa tarkat spesifiset muutokset DNA-sekvenssiin. Koska DNA sisältää olennaisesti koko organismin suunnan, DNA: n muutokset muuttavat toiminnot, joita organismi kykenee.

Emme todellakaan voi tehdä muuta tapaa kuin käyttämällä viimeisen 40 vuoden aikana kehitettyjä tekniikoita, jotka käsittelevät suoraan DNA: ta.

Miten geneettisesti muunnat organismia? Itse asiassa tämä on melko laaja kysymys. Elimistö voi olla kasvi, eläin, sieni tai bakteeri, ja kaikki nämä voivat olla geneettisesti muunneltuja lähes 40 vuoden ajan. Ensimmäiset geneettisesti muunnetut organismit olivat bakteereita 1970-luvun alussa. Sittemmin geneettisesti muunnetuista bakteereista on tullut satoja tuhansia laboratorioita, jotka tekivät geneettisiä muunnoksia sekä kasveissa että eläimissä. Suurin osa perusgeenien sekoittumisesta ja muunnelmista on suunniteltu ja valmistettu käyttämällä bakteereja, pääasiassa jonkin verran E. colin vaihtelua, ja sitten siirretty kohteena oleviin organismeihin.

Yleinen lähestymistapa geneettisesti muuntamaan kasveja, eläimiä tai mikrobeja on käsitteellisesti melko samanlainen. Eräissä tekniikoissa on kuitenkin eroja, jotka johtuvat kasvien ja eläinten solujen yleisistä eroista.

Kasesoluilla on esimerkiksi soluseinät ja eläinsolut eivät.

Kasvien ja eläinten geneettisten muuntelujen syyt

GM-eläimet tehdään pääasiassa tutkimustarkoituksiin, usein lääkekehitykseen käytettäviksi mallipohjaisiksi biologisiksi järjestelmiksi. Muutamaista muuntogeenistä eläintä on kehitetty muille kaupallisille tarkoituksille, kuten esimerkiksi fluoresoiville kaloille lemmikkieläimiksi, ja GM-hyttysiä, jotka auttavat torjumaan tautia kuljettavia hyttysiä.

Nämä ovat kuitenkin suhteellisen vähäisiä sovelluksia biologisen perustutkimuksen ulkopuolella. Toistaiseksi GM-eläimiä ei ole hyväksytty elintarvikelähteeksi. Pian kuitenkin tämä voi muuttua AquaAdvantage-lohen kanssa, joka on siirtymässä hyväksymisprosessin läpi.

Kasveilla tilanne on kuitenkin erilainen. Vaikka runsaasti kasveja on muutettu tutkimukseksi, useimpien viljelykasvien geneettisen muuntamisen tavoite on tuottaa kasvien kanta, joka on kaupallisesti tai sosiaalisesti hyödyllistä. Esimerkiksi saantoja voidaan kasvattaa, jos kasveja suunnitellaan parantamalla resistenssiä taudin aiheuttavalle tuholaiselle, kuten Rainbow Papaya, tai kykyä kasvaa sietämätöntä, ehkä kylmempää aluetta. Hedelmät, jotka pysyvät kypsiä kauemmin, kuten Endless Summer Tomatoes, tarjoavat enemmän aikaa hyllyajan jälkeen sato käytön. Lisäksi on tehty myös ominaisuuksia, jotka edistävät ravitsemuksellista arvoa, kuten A-vitamiinilla rikastettua Golden Rice -tuotetta tai hedelmien hyödyllisyyttä, kuten ruskettumattomia Arctic Apples.

Olennaisesti kaikki piirteet, jotka voidaan ilmentää tietyn geenin lisäämisen tai estämisen avulla, voidaan ottaa käyttöön. Monia geenejä vaativat piirteet voitaisiin myös hallita, mutta tämä edellyttää monimutkaisempaa prosessia, jota ei ole vielä saavutettu kaupallisilla viljelykasveilla.

Mikä on geeni?

Ennen kuin selitetään, miten uudet geenit otetaan organismiin, on tärkeää ymmärtää mikä geeni on. Kuten monet tietävät tietävän, geenit on tehty DNA: sta, joka koostuu osittain neljästä emäksestä, jotka on tavallisesti mainittu yksinkertaisesti A, T, C, G. Näiden emästen lineaarinen järjestys rivillä alas geenin DNA-juosteesta voidaan ajatella tietyn proteiinin koodi, samoin kuin lausekkeen tekstikoodin kirjaimet.

Proteiinit ovat suuria biologisia molekyylejä, jotka on tehty aminohapoista, jotka on yhdistetty toisiinsa erilaisissa yhdistelmissä. Kun oikea aminohappojen yhdistelmä liitetään yhteen, aminohappoketju taittuu yhteen proteiiniin, jolla on tietty muoto ja oikeat kemialliset ominaisuudet yhdessä, jotta se voi suorittaa tietyn funktion tai reaktion. Elävät asiat koostuvat suurelta osin proteiineista. Jotkin proteiinit ovat entsyymejä, jotka katalysoivat kemiallisia reaktioita; toiset kuljettavat materiaalia soluihin ja jotkut toimivat kytkiminä, jotka aktivoivat tai poistavat muita proteiineja tai proteiinikaskadeja.

Joten, kun uusi geeni otetaan käyttöön, se antaa solulle koodisekvenssin, jotta se voi tehdä uuden proteiinin.

Miten solut järjestävät geenejä?

Kasveissa ja eläinsoluissa melkein kaikki DNA: ta tilataan useissa pitkässä kaistaleessa, jotka on kääritty kromosomiin. Geenit ovat itse asiassa vain pieniä osia DNA: n pitkästä sekvenssistä muodostaen kromosomin. Joka kerta kun solu replikoi, kaikki kromosomit toistetaan ensin. Tämä on solun ohjeiden keskeinen joukko ja jokainen jälkeläisoluku saa kopion. Niinpä uuden geenin käyttöönotto, joka sallii solun tehdä uuden proteiinin, joka antaa tietyn ominaisuuden, täytyy yksinkertaisesti lisätä hieman DNA: ta yhdeksi pitkästä kromosomipohjasta. Kun se on lisätty, DNA siirretään mihinkään tytärsoluihin, kun solu kopioidaan aivan kuten kaikki muut geenit.

Itse asiassa tiettyjä DNA-tyyppejä voidaan ylläpitää kromosomeista erillisissä soluissa ja geenit voidaan ottaa käyttöön käyttämällä näitä rakenteita, jotta ne eivät integroitu kromosomaaliseen DNA: han. Kuitenkin tällä lähestymistavalla, koska solun kromosomaalista DNA: ta muutetaan, sitä ei tavallisesti ylläpidetä kaikissa soluissa useiden replikaatioiden jälkeen. Perinteiseen ja perinnölliseen geneettiseen muuntamiseen, kuten viljelymenetelmiin käytettäviin prosesseihin, käytetään kromosomaalisia modifikaatioita.

Miten uusi geeni on lisätty?

Geneettinen tekniikka viittaa yksinkertaisesti uuden DNA-emäsjakson (yleensä vastaavan koko geenin) lisäämiseen organismin kromosomaaliseen DNA: han. Tämä voi tuntua käsitteellisesti suoraviiviseksi, mutta teknisesti se saa hieman monimutkaisemman. On olemassa monia teknisiä yksityiskohtia, joilla oikea DNA-sekvenssi saadaan oikeilla signaaleilla kromosomiin oikeaan kontekstiin, joka sallii solujen tunnistaa sen olevan geeni ja käyttää sitä uuden proteiinin muodostamiseen.

Lähes kaikkiin geenitekniikan menetelmiin on neljä keskeistä tekijää:

1. Ensinnäkin tarvitset geenin. Tämä tarkoittaa sitä, että tarvitset fysikaalisen DNA-molekyylin tiettyjen perusjaksojen kanssa. Perinteisesti nämä sekvenssit saatiin suoraan organismista käyttämällä mitä tahansa useista työläs tekniikoista. Nykyään DNA: n poistaminen organismin sijasta tutkijat tyypillisesti syntetisoivat vain A, T, C, G-kemikaaleista. Kun se on saatu, sekvenssi voidaan REPLACEoida bakteeri-DNA-kappaleeseen, joka on kuin pieni kromosomi (plasmidi), ja koska bakteerit replikoituvat nopeasti, niin paljon geeniä voidaan tarpeen mukaan tehdä.
2. Kun sinulla on geeni, sinun on sijoitettava se DNA-juosteeseen, jota ympäröi oikea DNA-sekvenssi, jotta solu pystyy tunnistamaan sen ja ilmaisemaan sen. Pääasiassa tämä tarkoittaa, että tarvitset pienen DNA-sekvenssin, jota kutsutaan promoottoriksi, joka signaali solu ilmaisee geeniä.
3. REPLACEoitavan päägeenin lisäksi tarvitaan usein toinen geeni merkkiaineen tai valinnan aikaansaamiseksi. Tämä toinen geeni on olennaisesti väline, jota käytetään identifioimaan solut, jotka sisältävät geeniä.
4. Lopuksi on välttämätöntä saada menetelmä uuden DNA: n (eli promoottorin, uuden geenin ja selektiomarkkerin) tuottamiseksi organismin soluihin. Voit tehdä tämän useilla tavoilla. Kasveille suosikkini on geenipistooli, joka käyttää muunneltua 22 kivääriä DNA: n päällystetyn volframi- tai kullan hiukkasten soluihin.

Eläinsoluilla on useita transfektioreagensseja, jotka päällystetään tai kompleksoidaan DNA: ta ja antavat sen mahdolliseksi kulkea solukalvojen läpi. On myös yleistä, että DNA liitetään yhdessä muokatun virus-DNA: n kanssa, jota voidaan käyttää geenivektorina kuljettamaan geeni soluihin. Modifioitu virus-DNA voidaan kapseloida normaaleihin virusproteiineihin sellaisen pseudoviruksen valmistamiseksi, joka voi infektoida soluja ja lisätä geeniä kantavan DNA: n, mutta ei replikoitua uuden viruksen tuottamiseksi.

Monille dikotikasveille geeni voidaan sijoittaa Agrobacterium tumefaciens -bakteerien T-DNA-kantajan modifioituun varianttiin. Myös muita lähestymistapoja on olemassa. Kuitenkin useimmilla, vain pieni osa soluista noutaa geeniä, joka tekee muunneltujen solujen valinnan kriittisen osan tätä prosessia. Siksi valinta tai merkkigeeni on tyypillisesti välttämätön.

Mutta miten teet geneettisesti muokatun hiiren tai tomaatin?

GMO on organismi, jossa on miljoonia soluja ja edellä oleva tekniikka vain kuvaa todella yksittäisten solujen geneettistä konstruointia. Kuitenkin koko organismin tuottamisprosessi edellyttää olennaisesti näiden geenitekniikan käyttämistä itusoluihin (eli siittiöihin ja munasoluihin). Kun avaingeeni REPLACEoidaan, loput prosessista pohjimmiltaan käyttävät geneettisiä jalostustekniikoita sellaisten kasvien tai eläinten tuottamiseksi, jotka sisältävät uuden geenin kaikissa kehossa olevissa soluissa. Geneettinen tekniikka on todella tehty soluille. Biologia tekee loput.