What Is Genetic Engineering?- Definition, Types, Process And Application
„Molekularna technika genetyczna stosowana do bezpośredniej manipulacji, zmiany lub modyfikacji genów lub genomu organizmów w celu manipulowania fenotypami nazywana jest inżynierią genetyczną.”
Albo innymi słowy, możemy powiedzieć,
„Inżynieria genetyczna jest techniką, za pomocą której skład genetyczny organizmu może być zmieniony.”
Ta technika jest często znana jako manipulacja genetyczna, modyfikacja genetyczna lub zmiany genetyczne, szeroko jest skategoryzowana jako inżynieria genetyczna.
W tej technice, rekombinowany DNA jest konstruowany i wprowadzany do genomu gospodarza przy użyciu wektora. Możemy też usunąć niektóre zmutowane sekwencje z genomu. Pierwszy rekombinowany DNA został skonstruowany przez Paula Berga w 1972 roku.
Używając techniki inżynierii genetycznej można skonstruować genetycznie zmodyfikowane organizmy, które są dla nas bardzo ważne z ekonomicznego punktu widzenia.
Jest ona wykorzystywana do produkcji ulepszonych gatunków roślin, leków terapeutycznych lub białek, zapobiegania dziedzicznym zaburzeniom genetycznym i konstrukcji genetycznie zmodyfikowanego organizmu.
W niniejszym artykule, będziemy naszym głównym tematem jest inżynieria genetyczna i jej zastosowania. Treść artykułu to,
- Co to jest inżynieria genetyczna
- Definicja
- Historia
- Typy
- Proces
- Zastosowanie inżynierii genetycznej
- Ograniczenia inżynierii genetycznej
- Wnioski
.
Key Topics:
Człowiek od dawna manipuluje materiałem genetycznym wielu organizmów. Stosując hodowlę selektywną i hybrydyzację krzyżową, stworzyliśmy ważne gospodarczo gatunki roślin.
Celem rozwoju inżynierii genetycznej lub technik manipulacji genetycznej jest wytworzenie organizmów lub fenotypów, które są dla nas użyteczne. Techniki inżynierii genetycznej są wykorzystywane do,
- Konstrukcji genetycznie zmodyfikowanych gatunków roślin.
- Gatunków roślin odpornych na stresy biotyczne i biotyczne.
- Ważne ekonomicznie gatunki roślin
- Ciekawe handlowo organizmy
- Do produkcji leków terapeutycznych
- Przeciwdziałanie nieprawidłowościom genetycznym.
„W inżynierii genetycznej dwa różne DNA komórki są łączone i wprowadzane do genomu gospodarza za pomocą wektora.” Ważne elementy eksperymentów manipulacji genami są wyjaśnione tutaj.
Gen zainteresowania: Sekwencja DNA, którą chcemy wstawić do naszych komórek docelowych.
Wektor: używając plazmidowego DNA jak wektory gen zainteresowania jest wstawiany do genomu gospodarza. Wektory są rodzajem pojazdów, które przenoszą materiał genetyczny.
Komórki docelowe: komórki docelowe są populacją komórek, których genomem chcemy manipulować lub zmienić.
Ogólny proces terapii genowej.
Definicje:
„Technika stosowana do wstawiania lub usuwania zmutowanego genu lub do manipulowania genomem organizmu jest znana jako inżynieria genetyczna.”
Historia inżynierii genetycznej:
Termin inżynieria genetyczna został po raz pierwszy użyty przez powieściopisarza science-fiction, a nie przez jakiegokolwiek naukowca. W roku, 1951, Jack Williamson użył terminu „inżynieria genetyczna” po raz pierwszy w swojej powieści „Wyspa smoka”.
Pierwszy rekombinowany DNA został skonstruowany przez Paula Berga w 1972 roku. W tym samym roku Herbert Boyer i Stanley Cohen przeprowadzili eksperymenty z transferem genów. W 1974 r. Rudolf Jaenisch stworzył genetycznie zmodyfikowane myszy, po raz pierwszy w historii genetyki.
Po sukcesie Rudolfa, genetycznie zmodyfikowany lub genetycznie zmodyfikowany gatunek rośliny tytoniu został opracowany w 1976 roku.
W tym okresie (między 1960 a 1990) odkryto techniki trawienia restrykcyjnego, ligacji i PCR, które dały skrzydła technologii inżynierii genetycznej.
Powiązany artykuł: What is a genome?
Rodzaje technik inżynierii genetycznej:
Rekombinowane DNA- Technologia rekombinowanego DNA jest rodzajem technologii inżynierii genetycznej, w której sztuczna cząsteczka DNA jest konstruowana poprzez ligację dwóch różnych DNA przy użyciu metod fizycznych. W tym celu gen będący przedmiotem zainteresowania jest wprowadzany do wektora plazmidowego i wykorzystywany do eksperymentów transferu genów.
Dostarczanie genów – technika dostarczania genów jest stosowana do wprowadzania interesującego genu do genomu gospodarza.
Elektroforyzacja, nagabywanie i transfer genów z udziałem wektorów wirusowych, transfer genów z udziałem liposomów, transfer genów z udziałem transpozonów to niektóre z metod stosowanych w tym celu.
Edycja genu- Technika edycji genu jest używana do edycji genomu, w której niepożądana sekwencja DNA jest usuwana lub nowy gen może być wprowadzony do genomu gospodarza. CRISPR-CAS9, TALEN i ZFN to niektóre znane narzędzia do edycji genów stosowane w eksperymentach terapii genowej.
Czytaj dalej: Czym jest edycja genów i CRISPR-CAS9?
Proces inżynierii genetycznej:
Technika inżynierii genetycznej jest wykorzystywana do wielu różnych celów, dlatego musimy najpierw zdecydować, jaki jest cel eksperymentu. Cały proces inżynierii genetycznej można podzielić na 5 szerszych etapów:
- Wybór i izolacja genu kandydującego
- Wybór i konstrukcja plazmidu
- Transformacja genu
- Insertacja DNA do genomu gospodarza
- Potwierdzenie insercji
Wybór i izolacja genu kandydującego:
Gen musi zawierać sekwencję DNA, którą chcemy badać, a do tego gen ma pewne specjalne cechy. Gen kandydujący powinien mieć wysoką zawartość GC i niższą powtarzalną sekwencję DNA.
Dodatkowo, gen zainteresowania nie może być zbyt długi tylko kilka kb genów może być pomyślnie wstawiony. Dłuższy gen zwiększa szansę niepowodzenia. Gen kandydujący musi mieć w sobie kodon startu i stopu. Powiązany artykuł: What is The Genetic Code?
Teraz interesujący nas gen może zostać wyizolowany z reszty DNA przy użyciu trawienia restrykcyjnego lub łańcuchowej reakcji polimerazy.
Endonukleazy restrykcyjne są enzymami bakteryjnymi posiadającymi zdolność do trawienia sekwencji DNA w określonym miejscu. Używając specyficznego typu endonukleazy restrykcyjnej możemy wyciąć i wyizolować nasz interesujący nas gen.
Metoda trawienia restrykcyjnego została wyjaśniona w naszym poprzednim artykule: Co to jest trawienie restrykcyjne?
W łańcuchowej reakcji polimerazy, wykorzystując informacje o sekwencji genu, gen zainteresowania lub gen kandydujący jest amplifikowany w termocyklerze.
Maszyna ta, wykorzystując łańcuchową reakcję polimerazy, wykonuje miliony kopii interesującego nas genu. Poprzez proces elektroforezy w żelu agarozowym, amplifikowany gen jest izolowany.
Jeśli interesujący nas gen jest dobrze zbadany, wcześniej, to informacja o genie jest dostępna w bibliotece genetycznej i możemy ją wykorzystać do sztucznej syntezy interesującego nas genu. (używając informacji z biblioteki genetycznej, gen może być również sztucznie zsyntetyzowany)
W następnym kroku wykonaj oczyszczanie DNA, jeśli jest to wymagane. Teraz nasze DNA jest gotowe do wstawienia do plazmidu.
Selekcja i budowa plazmidu:
Wybór plazmidu do eksperymentu inżynierii genetycznej jest jednym z kluczowych kroków w całym eksperymencie. Przed wyborem plazmidu musimy zrozumieć, dlaczego dany plazmid jest używany w eksperymentach transferu genów.
DNA plazmidu jest kolistym, dwuniciowym cytoplazmatycznym DNA bakterii, które replikuje się niezależnie.
Naukowcy używają go jako nośnika do przenoszenia interesującego nas genu do docelowego miejsca w genomie. Może on efektywnie przenosić gen w miejscu docelowym. Struktura plazmidu jest wyjaśniona na rysunku poniżej,
Ogólna struktura plazmidowego DNA używanego w technologii rekombinacji DNA.
Related article: Co to jest plazmid?
Przygotowanie plazmidu:
Wybierz plazmid, który pasuje do twojego eksperymentu.
Plazmid musi mieć początek replikacji, region promotora, gen oporności na antybiotyki i inne ważne sekwencje. Używając metody trawienia restrykcyjnego, wprowadzamy do plazmidu miejsce insercyjne, do którego ligowany jest nasz gen zainteresowania.
Używając ligazy T4 DNA jak zgrzewarki, DNA naszego zainteresowania jest wstawiane i ligowane w plazmidzie. Wraz z plazmidem, selektywny marker jest również wprowadzany do plazmidowego DNA w celu identyfikacji rekombinowanego DNA.
W dodatku do tego, region promotora i sekwencje terminatora są również zawarte w plazmidzie dla efektywnej ekspresji genu naszego zainteresowania. Plazmid z naszym interesującym nas genem i kilkoma innymi ważnymi sekwencjami jest obecnie określany jako rekombinowana cząsteczka DNA.
Teraz nasze rekombinowane DNA jest gotowe do ekspresji.
Jeśli wykonujemy klonowanie genów, to plazmid jest wstawiany do bakteryjnego gospodarza, do tego celu powszechnie używa się bakterii E.Coli. Kiedy bakteria zaczyna się dzielić, nasz rekombinowany plazmid DNA jest również replikowany razem z nią.
Teraz mamy wiele kopii naszego plazmidowego DNA, które są ekstrahowane przy użyciu zestawu do ekstrakcji plazmidowego DNA i używane do eksperymentów transformacyjnych.
Proces inżynierii genetycznej.
Transformacja do genomu gospodarza:
Transportowanie rekombinowanego DNA do komórki biorcy lub genomu gospodarza jest kolejnym żmudnym i trudnym zadaniem. Różne metody wprowadzania rekombinowanego DNA są stosowane do różnych typów komórek, ponieważ jedna metoda nie może być stosowana do wszystkich typów komórek.
Różne metody transformacji:
Używanie stresu- bakterie łatwo pobierają plazmidowy DNA stosując pewne czynniki stresowe takie jak ciepło lub skarpeta elektryczna.
Mikroiniekcja – ostra igła jest używana do wprowadzania DNA bezpośrednio do jądra komórki, jednak metoda ta jest mniej skuteczna i wymaga wyższego poziomu wiedzy specjalistycznej.
Elektroporacja- jedną z najlepszych metod o dużym współczynniku sukcesu jest metoda elektroporacji, w której rekombinowane DNA jest wprowadzane do genomu gospodarza przez permeabilizację komórki prądem elektrycznym.
Poświęciliśmy temu cały artykuł. Przeczytaj go tutaj: Electroporation- A Modern Gene Transfer Technique.
Sonication- sonication jest jeszcze jedną dobrą metodą czasami używaną w eksperymencie transferu genów, w którym rekombinowane DNA jest wprowadzane do komórki docelowej przy użyciu fal ultradźwiękowych. Fale ultradźwiękowe zwiększają również przepuszczalność komórek.
Liposome mediated gene transfer- Using an artificial cell-like outer coat known as a liposome- recombinant DNA can be inserted in the host genome.
Transfer genu przy użyciu infekcji bakteryjnej- Metoda ta jest jedną z popularnych metod i rutynowo stosowana w eksperymentach inżynierii genetycznej roślin. Tutaj, gatunek rośliny jest zainfekowany przekształconymi bakteriami w celu wprowadzenia interesującego nas genu.
Agrobacterium tumifecian jest wykorzystywany do wprowadzenia rekombinowanego DNA do komórki roślinnej. Gen zainteresowania jest wstawiany do plazmidu Ti- bakterii Agrobacterium. Komórki roślinne są infekowane przez tę bakteryjną kulturę komórkową, a transformowane komórki są regenerowane przy użyciu metod hodowli tkanek roślinnych.
Chemiczne w transferze genów – Niektóre jony metali, chemikalia i roztwory różnych chemikaliów są również stosowane w eksperymentach transferu genów, jednakże wskaźnik sukcesu jest zbyt niski w porównaniu z innymi metodami.
Potwierdzenie wstawki:
Nasza praca nie została jeszcze zakończona.
Teraz musimy się upewnić, czy rekombinowane DNA jest wstawiane do naszej komórki docelowej, czy nie. Do tego celu stosuje się różne molekularne technologie genetyczne. W tradycyjnej metodzie hodowlanej, obecność lub brak selektywnego markera jest wykorzystywana do odróżnienia transformowanych komórek od komórek nieprzekształconych.
Ale nie jest to konieczne w przypadku metody wykrywania opartej na PCR. Metoda wykrywania oparta na łańcuchowej reakcji polimerazy jest powszechnie akceptowana, bardziej godna zaufania niż inne metody.
DNA jest ekstrahowane z transformowanej komórki i amplifikowane przy użyciu primerów komplementarnych do naszego genu zainteresowania lub naszego rekombinowanego DNA.
Jeśli rekombinowane DNA jest obecne, to na pewno jest amplifikowane, w przeciwnym razie nie uzyskuje się amplifikacji. Dla konformacji dwuczynnikowej, pobiera się jeden zestaw primerów komplementarnych do rekombinowanego DNA specyficznego i jeden zestaw primerów komplementarnych do sekwencji markera selekcyjnego i wykonuje się multiplex PCR.
Dla walidacji wyników, amplifikacja musi być uzyskana w obu reakcjach.
Ale chwileczkę!
Co się stało, jeśli podczas eksperymentu w naszym genie wystąpiła jakaś mutacja? Ponieważ PCR może tylko amplifikować DNA. Musimy potrzebować informacji o sekwencji, aby wykryć mutację.
W tym celu stosuje się metodę sekwencjonowania DNA.
DNA jest ekstrahowane z transformowanych komórek i gen zainteresowania jest amplifikowany przy użyciu PCR. Teraz amplikony PCR są używane do sekwencjonowania DNA, w którym przy użyciu chemii fluorescencyjnej sekwencja naszego interesującego genu jest ustalana w sposób uporządkowany.
Po spełnieniu wszystkich parametrów do określenia interesującego nas genu, nasze komórki są teraz gotowe do wstrzyknięcia do organizmu gospodarza lub do eksperymentów z kulturami tkankowymi.
Zastosowania inżynierii genetycznej:
Teraz przechodząc do ważnego punktu tego tematu, „Do czego wykorzystywana jest inżynieria genetyczna?”
Inżynieria genetyczna ma wielką wartość przemysłową i rolniczą. Jest praktykowana w medycynie, badaniach genetycznych, rolnictwie, ulepszaniu upraw i produkcji leków terapeutycznych.
Jest również wykorzystywana w rozwoju organizmów modyfikowanych genetycznie. Tutaj omawiamy niektóre z ważnych zastosowań inżynierii genetycznej.
Technologia rekombinowanego DNA jest wykorzystywana w doskonaleniu upraw i rozwoju nowych, ważnych gospodarczo cech. Niektóre z nich to:
- Odporność na herbicydy
- Odporność na wirusy
- Opóźnione dojrzewanie owoców
- Zmieniona zawartość oleju
- Zwalczanie pyłków
- Rozwój gatunków roślin odpornych na zimno i suszę.
Klasycznym przykładem jest bawełna BT- jeden z typów genetycznie modyfikowanych gatunków zapewnia odporność rośliny na bacillus thuringiensis.
Proces rozwoju genetycznie modyfikowanych gatunków roślin:
Z organizmu izoluje się gen zainteresowania za pomocą trawienia restrykcyjnego lub amplifikuje się go za pomocą łańcuchowej reakcji polimerazy. Rekombinowane DNA jest konstruowane przez wstawienie interesującego nas genu do plazmidu, tutaj używany jest plazmid T-.
W kolejnym kroku, plazmid T- jest wprowadzany do agrobakterii. W ostatnim kroku, gatunek rośliny jest infekowany transformowanymi komórkami bakteryjnymi i hodowany. Cały proces przedstawiono na rysunku poniżej,
Agrobacterium-mediated gene transfer in plant species.
GMF- genetycznie modyfikowana żywność jest kolejnym najlepszym zastosowaniem inżynierii genetycznej, w którym ważne gospodarczo produkty spożywcze są konstruowane przy użyciu technologii rekombinowanego DNA.
Innym ważnym zastosowaniem inżynierii genetycznej jest żywność modyfikowana genetycznie lub genetycznie modyfikowana.
Jakość niektórych produktów spożywczych, takich jak bawełna, kukurydza i soja są ulepszone przy użyciu obecnej technologii rekombinowanego DNA. Celem rozwoju genetycznie modyfikowanych upraw lub gatunków roślin jest nadanie im znaczenia ekonomicznego, wartości odżywczych, bogactwa białka, odporności na choroby i stres.
Nawet, przy użyciu inżynierii genetycznej i technik hodowli tkankowej, rozwijane są gatunki roślin odporne na insektycydy w tytoniu, ziemniaku, kukurydzy i bawełnie.
Oprócz tego, niektóre zmodyfikowane rośliny zdolne do wytwarzania własnych nawozów mogą być również tworzone przy użyciu obecnej techniki modyfikacji genetycznej. Złośliwe patogeny i pasty owadobójcze mogą być niszczone przy użyciu genetycznie zmodyfikowanych mikroorganizmów, które są zdolne do degradacji toksyn. Zastosowanie w medycynie: Niskonakładowe leki, hormony, enzymy i szczepionki są tworzone przy użyciu narzędzi inżynierii genetycznej. Inne przykłady są dwa inne białka terapeutyczne somatostatyny i limfokin, które są pracował przeciwko kilku warunków choroby i mogą być syntetyzowane sztucznie. Insulina jest jeszcze klasycznym przykładem białka terapeutycznego zaprojektowanego przy użyciu technologii inżynierii genetycznej. Gen dla insuliny jest izolowany przez trawienie restrykcyjne lub przez PCR i wprowadzany do plazmidu. Rekombinowany plazmidowy DNA jest natychmiast wprowadzany do komórki bakteryjnej lub drożdżowej, w której namnaża się plazmid. Gdy mikroorganizm zaczyna się dzielić, zaczyna wytwarzać sztuczną insulinę. Duża ilość insuliny produkowana przy użyciu tej samej techniki na skalę przemysłową. Szczegółowy zarys produkcji insuliny przedstawiono na poniższym rysunku, Produkcja insuliny przy użyciu technologii inżynierii genetycznej. Komercyjna produkcja insuliny rozpoczęła się po zatwierdzeniu przez FDA w 1982 roku. Szczepionki rekombinowane: Szczepionki przeciwko ospie wietrznej, wirusowi herpes simplex i zapaleniu wątroby są produkowane przy użyciu techniki inżynierii genetycznej. Szczepionki są inaktywowanymi cząstkami wirusowymi używanymi do wywołania odpowiedzi immunologicznej przeciwko temu patogenowi, jednak szansa na zanieczyszczenie jest w nich wysoka. Używając technologii rekombinowanego DNA naukowcy stworzyli unikalny rodzaj szczepionek, które zawierają tylko DNA dla wirusowego białka płaszcza, dzięki czemu patogen nigdy nie może być aktywowany ponownie. Główną jej zaletą jest to, że jest bezpieczniejsza, wolna od zanieczyszczeń i bardziej reaktywna. Inżynieria genetyczna w terapii genowej: Używając terapii genowej lub techniki transferu genów, można wyleczyć dziedziczone zaburzenia genetyczne. Mukowiscydoza, dystrofia mięśniowa Duchenne’a i anemia sierpowata jak terapie genowe są teraz w końcowej fazie prób klinicznych i gotowe do użycia na pacjentach. W terapii genowej, wadliwy, niefunkcjonujący lub zmutowany gen jest zastępowany genem typu dzikiego przy użyciu tej samej techniki, jak wyjaśniono powyżej. Pokryliśmy niesamowite artykuły na temat terapii genowej, przeczytaj je tutaj: Oprócz tego, technologia inżynierii genetycznej jest również wykorzystywana w produkcji biopaliw, chorób, bioalkoholu i innych podstawowych produktów. Istnieją kwestie etyczne związane ze stosowaniem terapii genowej i produktów genetycznie modyfikowanych. Ale również, aby zapewnić wartość ekonomiczną produktu żywnościowego lub jakiegokolwiek produktu GM, wartości odżywcze są zagrożone. Z powodu negatywnych skutków tego, nowe odporne szczepy patogeniczne ewoluują szybciej. Również skutki uboczne terapii genowej i wykorzystanie w niej wirusów są szkodliwe dla organizmu docelowego. Technologia jest bardziej kosztowna, ponieważ terapia genowa kosztuje do 50,000 USD. Granie z embrionem lub płodem jest sprzeczne z prawem naturalnym, ludzie mocno w to wierzą, dlatego genetycznie modyfikowana żywność i produkty roślinne zawsze stają się centrum kontrowersji. Jednakże przy użyciu narzędzi inżynierii genetycznej, takich jak terapia genowa i technika transferu genów, dziedziczne zaburzenia i rak jak śmiertelne choroby można zapobiec. Pozytywne wykorzystanie technik inżynierii genetycznej może zmienić losy ludzkości. Źródła:
Ograniczenia inżynierii genetycznej:
Wnioski: