Ostrowska Anna Gorlice, 01.03.2006
Zaoczne Liceum Ogólnokształcące
dla Dorosłych w Gorlicach
PRACA KONTROLNA Z BIOLOGII
„Praktyczne wykorzystanie ”
Pojęcie „inżynieria genetyczna” ma bardzo krótką historię. Pojawiło się dopiero w połowie lat 70-tych, gdy po raz pierwszy stało się możliwe ukierunkowane przerabianie genów. Podstawą rozwoju tej dziedziny nauki była seria odkryć, z których wiele zostało nagrodzonych Nagrodami Nobla.
Słowo inżynieria oznacza, że dochodzi do skonstruowania czegoś całkiem nowego. W przypadku inżynierii genetycznej, naukowcy wykorzystują części żywych organizmów, jako podstawowy materiał budulcowy do tworzenia nowych lub zmian już istniejących organizmów żywych.
Wiemy, że DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) zawiera instrukcję wszystkich działań żywej komórki. Jest w nim również zapisana informacja o wszystkich białkach obecnych w danym organizmie. Gen stanowi część składową DNA, jest w nim zawarty zapis dotyczący jednego białka. Najprostsze bakterie mają około 500 genów, u człowieka jest ich około 100 tysięcy. Każdy gen zawiera informację zakodowaną w jego chemicznej strukturze, w taki sposób, że cały zestaw genów w komórce determinuje wszystkie cechy organizmu. Geny zawierają w sobie pełną instrukcję chemiczną potrzebną organizmowi do funkcjonowania a ponieważ informacja ta jest przekazywana z pokolenia na pokolenie, potomstwo przejmuje cechy swoich rodziców.
Odkrycia biologii molekularnej począwszy od lat 50-tych doprowadziły do tak dobrego poznania struktury DNA, że stało się możliwe klonowanie - uzyskiwanie pojedynczych genów w formie czystej. Tą skomplikowaną metodę ingerencji w naturalną budowę DNA można łatwo wyjaśnić. Naukowcy używają enzymów do „rozrywania” struktur DNA w konkretnych miejscach, wkładają w nie nowe kawałki i na powrót je „sklejają”. Mogą oni w ten sposób „wyciąć i wkleić” geny z jednego do drugiego organizmu - zmieniając w ten sposób strukturę DNA, a zatem także naturalne cechy organizmu. Nie brzmi to może jako ewenement, ale miało to olbrzymie znaczenie poznawcze. Manipulacja tych cech ma oczywiście ukierunkowany charakter.
Odkrycie dwóch typów enzymów przyczyniło się w dużej mierze do rozwinięcia technik klonowania DNA. Pierwszy z nich to enzymy restrykcyjne, tzw. restryktazy - tnące DNA każdego organizmu na powtarzalny komplet fragmentów. Wyizolowany z komórki organizmu dawcy DNA jest następnie poddawany technikom elektroforetycznym, pozwalającym rozdzielić uzyskane fragmenty, a następnie wyizolować dany fragment DNA. Drugi typ enzymów to ligazy - enzymy trwale łączące pocięte fragmenty z samo replikującymi się cząsteczkami DNA, tzw. wektorami. Pozwala to na produkowanie zrekombinowanego DNA. Może on być włączany do odpowiednich komórek - komórek gospodarza. Najczęściej są to komórki bakteryjne, ale również często stosuje się komórki drożdży, owadów czy ssaków. Wszystkie komórki potomne jednej komórki niosące ten sam rodzaj zrekombinowanego DNA to klon. Istnieją techniki pozwalające na wyizolowanie klonu zawierającego pożądany fragment DNA. Może on zostać zsekwencjonowany - inżynieria genetyczna dysponuje metodami umożliwiającymi poznanie kolejności nukleotydów praktycznie nieograniczonej długości cząsteczki DNA. Jest to zazwyczaj ostateczny etap analizy genu i chyba najdokładniejszy. Obecnie w dużej mierze zautomatyzowany. Niebawem poznana zostanie całkowicie sekwencja ludzkiego genomu. Kilka mniejszych genomów już zostało zsekwencjonowanych.
Ponadto istnieją procedury chemicznej syntezy DNA z dokładnością do 1 bp. Rekombinowane DNA może być więc produktem zarówno kombinacji naturalnie istniejących sekwencji DNA jak i chemicznie syntetyzowanych fragmentów DNA.
Opracowano także techniki umożliwiające wprowadzenie precyzyjnych zmian w określonych pozycjach nici DNA. Jest to tzw. ukierunkowana mutageneza. Można dzięki temu poznać funkcje genu badając efekt zastąpienia w organizmie genu dzikiego przez gen zmutowany lub też przeprowadzić szczegółową analizę funkcjonalną i poznać miejsce położenia sekwencji nukleotydowych odpowiedzialnych za regulację ekspresji. W połowie lat 80-tych opracowano technikę - PCR, która pozwala na powielenie dowolnej sekwencji DNA o ile znamy krótkie sekwencje ją otaczające. Oprócz tego, że jest to w pewnym sensie metoda alternatywna do klonowania, znalazła ona także szereg innych zastosowań. Umożliwiła rzeczy wcześniej praktycznie niewykonalne - analizę DNA ze szczątków organizmów kopalnych czy mumii egipskich a także rozwiązała szereg problemów związanych z diagnostyką, kryminalistyką itp. Dotychczas opisywałam tylko klonowanie genów. Możliwe jest też klonowanie organizmów - to znaczy uzyskanie pewnej ilości genetycznie takich samych osobników. Można to uzyskać albo przez podział zarodka na pojedyncze komórki we wczesnych stadiach rozwoju (robi się to eksperymentalnie u myszy itp., natomiast u człowieka jednojajowe bliźnięta są wynikiem naturalnego rozdziału dwóch komórek zarodka od siebie po pierwszym podziale zapłodnionej komórki). Możliwy jest też inny typ klonowania - jak dotychczas uwieńczony tylko jeden raz sukcesem w przypadku ssaków - wzięcie jądra komórkowego (czyli informacji genetycznej) z jednej komórki dojrzałego organizmu i przeniesienia jej do niezapłodnionej komórki jajowej. Jeśli z tego rozwinie się osobnik, będzie on genetycznie identyczny z osobnikiem, od którego pobrano komórkę. Tak powstała owca Dolly - pierwszy sklonowany ssak.
Negatywne strony
Niebezpieczeństwo stanowi fakt, że w takich eksperymentach dochodzi do zmieszania genów całkowicie niespokrewnionych gatunków - geny zwierząt trafiają do roślin, geny bakterii - do zbóż a geny ludzkie - do zwierząt. Przemysł genetyczny nie okazuje respektu dla granic wyznaczonych przez naturę - granic ustanowionych dla ochrony charakterystycznej unikalności poszczególnych gatunków. W rezultacie przemysł przejmuje kontrolę na procesem ewolucji. Ponieważ coraz więcej genów udaje się wyizolować z ich naturalnych źródeł - „dawców” - naukowcy są w stanie kontrolować coraz to nowe aspekty życia. Mogą budować własne zwierzęta, drzewa, zboża... Ten zakres kontroli to jednak za mało dla przemysłu genetycznego. Następnym krokiem jest podejmowanie wysiłków dla opatentowania genów, których przemysł genetyczny używa do produkcji nowych organizmów. Poprzez podejmowanie prób zdobycia prawa własności do genów, przemysł stopniowo przejmuje kontrolę nad samym życiem. W ten sposób wszystkie istoty żywe mogą stać się jedynie produktami tworzącymi zyski a wielonarodowe korporacje - wiele z nich to chemiczne giganty - będą rządzić podstawami istnienia społeczeństwa - rolnictwem, produkcją oraz składem żywności, którą konsumujemy. Inżynierowie genetyczni zmieniają samą naturę życia - robią to bawiąc się genami w celu wyprodukowania żywych mutacji roślin i zwierząt. Następnie, po wykonaniu pracy przez naukowców, przemysł używa całej swojej siły nacisku dla wprowadzenia tych obcych organizmów do każdej dziedziny naszego życia. Gdy taki scenariusz spełni się, nikt nie będzie już w stanie kontrolować tego procesu. Dodatkowo nie potrafimy przewidzieć wszystkich konsekwencji, jakie niesie ze sobą wprowadzenie genetycznie modyfikowanych organizmów (GMO) do środowiska. "To jest niedoskonała technologia niosąca ze sobą zagrożenia... Najbardziej przerażający jest fakt, że efekty jej wprowadzenia są nieprzewidywalne". Dr Michael Antoniou, Senior Lecturer w dziedzinie Biologii Molekularnej, Londyn Potencjalne konsekwencje budzą niepokój. Przeciwnicy inżynierii genetycznej mają w zanadrzu wiele argumentów. Są to m.in.:
· Skąd będziemy wiedzieć, co jemy, skoro wszystko - od wina po zwykłe ziemniaki - może zawierać obce geny? Mogą to być geny szczurów, ciem, skorpionów, bakterii a nawet ludzi.
· W jaki sposób realizować zasady zrównoważonego rozwoju w rolnictwie i chronić wieś przed chemikaliami, jeżeli potężne korporacje produkujące genetycznie modyfikowane rośliny, to jednocześnie korporacje promujące wykorzystanie pestycydów, szkodliwych zarówno dla środowiska jak i człowieka?
· Jak możemy ochronić małe ekstensywne gospodarstwa rolne przyjazne środowisku i ludziom, jeżeli potężne korporacje zajmujące się inżynierią genetyczną próbują opatentować rośliny? Patent daje im kontrolę rynku poprzez zdobycie „własności” samej rośliny, jak również użytych genów, na długi, około dwudziestoletni okres. Mając w ręku patent, potężne korporacje zmuszą rolników do płacenia wysokiej ceny za wykorzystywanie nasion każdego roku. W ten sposób tylko bogaci farmerzy, prowadzący potężne intensywne gospodarstwa monokulturowe mają szansę przetrwać. Zdobywając kontrolę nad wszystkimi podstawowymi zbożami naszej planety, w tym pszenicę, kukurydzę i ryż, zaledwie kilka korporacji będzie w efekcie kontrolować całą żywność trafiającą na nasze stoły.
· Jak chronić środowisko przed zmodyfikowanymi roślinami, jeżeli staną się one wrogimi chwastami, atakującymi inne, ważne dla stabilności ekosystemu, rośliny, wypierającymi rzadkie gatunki i zabijającymi owady, produkowanymi przez siebie truciznami?
· W jaki sposób chronić nasze zdrowie, jeżeli nie jesteśmy w stanie dokładnie określić, jakie dokładnie obce geny „wstrzyknięto” do naszej żywności? Osobom cierpiącym na alergię nie uda się uniknąć składników ją wywołujących - nie będą wiedziały, że żywność je zawiera.
· Jak kontrolować laboratoryjne próby poszukiwania „doskonałego” pomidora lub „doskonałego” kurczaka? Kiedy już uda się przemysłowi genetycznemu je wyprodukować, będzie można, poprzez klonowanie, rozpocząć ulubioną przez przemysł „produkcję seryjną”. Co stanie się z niedoskonałym „egzemplarzami”? A co zrobimy, jeżeli przemysł „rozwinie się” do takiego punktu, w którym będzie możliwa produkcja „doskonałego” człowieka nadającego się do klonowania? Jeśli coś takiego jest możliwe, istnieje pewne niebezpieczeństwo, że ktoś naprawdę zechce klonować człowieka - już były doniesienia w prasie, że pewien fizyk, o niefortunnym nazwisku Seed (z ang. nasienie), chce otworzyć klinikę, aby umożliwić bezpłodnym parom posiadanie sklonowanego potomstwa.
· W roku 2003 będą prawdopodobnie znane wszystkie ludzkie geny, i ilość możliwych do przeprowadzenia testów genetycznych bardzo się zwiększy. Istnieją obawy, że nastąpi dyskryminacja przez pracodawców czy firmy oferujące ubezpieczenia zdrowotne. Znane są już takie przypadki w USA, i w wielu krajach podejmowane są inicjatywy, aby wprowadzić odpowiednie przepisy zabezpieczające przed tego typu zjawiskami.
· Jeszcze jednym podnoszonym zagadnieniem jest sprawa naszych genów - informacji o nich i dostępu do tej informacji. Już teraz dla szeregu chorób występujących w rodzinach jest możliwie ustalenie, kto odziedziczył predysponujące do danej choroby geny. W przypadku niektórych chorób - np. nowotworów - daje to szansę na wczesne wykrycie i wyleczenie. W przypadku innych - dla których nie istnieją obecnie żadne metody leczenia - tak jak niektóre ciężkie choroby neurodegeneracyjne - nie jest jasne czy informacja o tym, czy się zachoruje jest pożądana - a na pewno nie każdy chce ją uzyskać.
· Prawdopodobnie nie dowiemy się, jaki dokładnie będzie wpływ GMO na naszą przyszłość na ziemi, ale jednego możemy być pewni: genetycznie modyfikowane organizmy zmienią nasz świat i jeżeli nie podoba nam się to, jak go zmieniają - wkrótce może być za późno, żeby ten proces powstrzymać.
Pozytywne strony
U człowieka istnieje kilka tysięcy zaburzeń, zwanych chorobami genetycznymi, wynikającymi ze zmian w ludzkich genach. Zmiany te nazywamy mutacjami - powodują one brak produkcji danego białka lub produkcję białka defektywnego. Większość tych chorób można leczyć tylko objawowo, bo nie jest możliwe usunięcie pierwotnego defektu. Dla pewnej grupy chorób (hemofilia, zaburzenia związane z brakiem hormonu wzrostu, rozedma wynikająca z braku alfa- i antytrypsyny) jedynym sposobem leczenia jest podawanie białka identycznego z obecnym w ludzkim organizmie. Jest ewidentne, że pozyskiwanie takich produktów jest wielkim problemem. Niektóre z nich (właśnie czynniki krzepliwości krwi) uzyskiwano dawniej z krwi ochotników - obecnie raczej się unika krwi jako materiału wyjściowego do preparatyki białek ze względu na zaistniałe przypadki zakażenia hemofilityków przyjmujących te produkty wirusem powodującym AIDS. Hormon wzrostu można było tylko izolować z ludzkich mózgów, co było poważnym problemem. Co więcej, ta metoda izolacji była odpowiedzialna za zakażenie szeregu osób pobierających hormon wzrostu zakaźnymi cząsteczkami obecnymi w tkance. Inne białko np. stosowana w leczeniu bardzo częstej choroby - cukrzycy - insulina - mogło być izolowane ze zwierząt (trzustki bydlęce albo świńskie), ale nieznacznie różniło się od białka ludzkiego, co mogło dawać niepożądane efekty. Inżynieria genetyczna rozwiązała te problemy przez umożliwienie klonowania genów kodujących pożądane białka. Są obecnie na świecie bakterie produkujące insulinę, produkujące czynniki krzepliwości krwi i hormon wzrostu, które można otrzymywać stosunkowo łatwo i w dużych ilościach, i które nie są zanieczyszczone czynnikami powodującymi ludzkie choroby. Istnieje też owca, w której mleku jest produkowana antytrypsyna (czynnik krzepliwości krwi). Początkowe obiekcje - które nawet spowodowały roczne moratorium nad pewnymi badaniami w połowie lat 70-tych - i obawy wyprodukowania „super-zjadliwej'' bakterii tymi metodami przycichły już nieco. Natomiast na półkach aptek pojawia się coraz więcej leków przyrządzanych technikami inżynierii genetycznej. Oprócz białek-leków są też białka-szczepionki, głównie przeciwko chorobom wirusowym, z których najbardziej chyba znana jest szczepionka przeciwko wirusowemu zapaleniu wątroby typu B, będąca białkiem produkowanym ze sklonowanego w drożdżach genu tego wirusa. Oprócz tego istnieją różne tzw. transgeniczne rośliny, o różnorakich walorach użytkowych i hodowlanych i wiele szczepów myszy, służących jako modele ludzkich chorób genetycznych, które powstały w wyniku zastosowania inżynierii genetycznej.
Przenoszenie genów, nawet jeśli przez to człowiek zmieni naturę, jest bardzo przydatne. Możemy przez to zmieniać budowę różnych organizmów pod kątem ich przydatności dla ludzi. Jedną z takich możliwości stanowi wykorzystanie wirusów i niektórych bakterii, które atakuję komórki przez umieszczenie w DNA gospodarza swych własnych genów. Jeśli z wirusa lub bakterii usunie się geny chorobotwórcze, a na ich miejsce wstawi się „dobre” geny, mikroorganizmy te mogą być wykorzystywane do dostarczania genów bezpośrednio do DNA komórek w leczonym organizmie. Oprócz tego dzięki inżynierii genetycznej możemy ratować wymierające gatunki. Włoscy i polscy naukowcy we współpracy z badaczami z Roslin Institute w Edynburgu sklonowali wymierający gatunek muflona europejskiego (Ovis orientalis musimon). Wykorzystali oni technikę wynalezioną przy klonowaniu słynnej owieczki Dolly. Materiał genetyczny pochodził z komórek pęcherzyka jajnikowego samicy muflona. Komórki te pobrano od martwych zwierząt 18 do 24 godzin po śmierci. Wyizolowano DNA i wprowadzenie go do dojrzałej komórki jajowej owcy domowej (Ovis aries). Tak zmodyfikowany zarodek wszczepiony został do macicy matki zastępczej, również owcy domowej. Po 155 dniach ciąży przyszła na świat samica muflona europejskiego.
Badania genetyczne potwierdziły, że DNA nowo narodzonego muflona pochodzi od dawcy materiału genetycznego i nie zawiera ani DNA komórki jajowej owcy domowej, ani DNA matki zastępczej. Jest to pierwsza zakończona sukcesem próba klonowania, gdzie dawca materiału genetycznego i komórka jajowa biorcy należą do dwóch różnych, choć blisko spokrewnionych gatunków. DNA pochodziło ponadto od martwego zwierzęcia, możliwe jest zatem wyizolowanie pełnowartościowego DNA nawet od już nie żyjących osobników.
Postęp w klonowaniu zwierząt i technologiach reprodukcyjnych może uratować wymierające gatunki. Nie może to oczywiście zastąpić tradycyjnych metod ochrony zwierząt i ich naturalnych siedlisk, ale w ekstremalnych przypadkach może być jedynym ratunkiem.
Korzystając z tego sposobu klonowania możemy wytworzyć „części zamienne” (mięsień serca, czy tkankę nerwową) pozwalające leczyć wiele chorób degeneracyjnych: chorobę Alzheimera, Parkinsona, nowotwory lub uszkodzenia rdzenia kręgowego. Byłaby to medyczna rewolucja przypominająca swą skalą odkrycie antybiotyków.
Korzyści, jakie może przynieść zastosowanie inżynierii genetycznej w medycynie, rolnictwie i przemyśle są ogromne. W ciągu kilku dziesięcioleci uczeni zdołają prawdopodobnie uzyskać:
· Rośliny zawierające w swoich liściach związki chemiczne zabijające owady, grzyby i inne szkodniki.
· Rośliny użytkowe, które można uprawiać na glebach zanieczyszczonych, suchych i zasolonych.
· Rośliny wytwarzające grudki tworzyw sztucznych, które można zbierać z ich liści.
· Pszenicę, ziemniaki i inne rośliny użytkowe, które potrafią samodzielnie pochłaniać azot z powietrza i wykorzystywać go do produkcji białek eliminując stosowanie drogich nawozów.
· Pomidory i inne owoce zachowujące dłużej świeżość niż obecne odmiany.
· Bakterie żywiące się odpadami z przeróbki ropy naftowej oraz bakterie oczyszczające z domieszek rudy i produkujące czyste metale.
· Zwierzęta hodowlane, które dzięki zmianom w genach kontrolujących wzrost będą znacznie większe niż obecnie.
· Owce i krowy produkująca w swym mleku ludzkie hormony wzrostowe, antybiotyki i czynniki krzepliwości krwi (co częściowo jest możliwe już dziś).
· W XXI w. będzie możliwe leczenie przyczyny chorób genetycznych - przez podawanie pacjentom cierpiącym na choroby genetyczne „zdrowych'' genów, które umożliwią im produkcję brakujących białek. Tego typu metody terapeutyczne są obecnie w różnych stadiach badań klinicznych, podobnie jak metody leczenia raka, m. in. przez wprowadzanie genów, które są nieczynne w komórkach nowotworu.
Naukowcy odpierają teorię dotyczącą „wyprodukowania doskonałego człowieka” czy klonowania go bez zmian w konstrukcji DNA. Nie jest jeszcze możliwe klonowanie ludzi ze względów technicznych - Dolly była jedynym udanym doświadczeniem z prawie 300 - to znaczy, że potrzeba było zdobyć 300 komórek jajowych, wprowadzić do nich jądra komórkowe i wprowadzić je do macic odpowiednio hormonalnie przygotowanych owieczek. Jest ewidentne, że nikt takich doświadczeń obecnie u człowieka nie przeprowadzi, ale problemy techniczne na ogół bywają w którymś momencie rozwiązywane. Nie powinna to być jedyna bariera przed klonowaniem człowieka. Inżynierowie genetyczni nie uważają za złe czy niemoralne zmienianie natury na naszą korzyść. Przecież od początku wszelkiego życia na ziemi poszczególne organizmy były przez siebie wzajemnie wypierane i ewoluowały. Co w tym złego jeśli człowiek pomoże naturze i pokieruje ją wedle własnych potrzeb?
Inżynieria genetyczna powoli i systematycznie wkroczyła w coraz to nowe dziedziny życia ludzkiego. Wykorzystuje się ją obecnie w medycynie: zarówno w diagnostyce jak i profilaktyce czy nawet terapii. Przemysł farmaceutyczny skorzystał dzięki stworzeniu szeregu leków dzięki technikom rekombinowanego DNA. Coraz śmielej współczesna biotechnologia próbuje ingerować w naturę. Prawdopodobnie niedługo powszechna stanie się transgenizacja zwierząt i roślin, być może także ich klonowanie. Perspektywy zastosowań są niezmiernie szerokie. Jak każda rewolucyjna idea wywołuje szereg kontrowersji, ale i nadziei. Choć każda technologia może być wykorzystana niezgodnie z jej przeznaczeniem, do celów moralnie nagannych, to w moim głębokim przekonaniu rachunek zysków i strat w naszej cywilizacji jest pozytywny. Dalszy postęp badań może w istotny sposób pomóc cierpiącym i głodnym.