/

Burzliwy temat modyfikacji genetycznych. Historia powstania.

avatar
Magdalena Żogała 29 Cze, 10 minut czytania

 

To zadziwiające, ale temat ratujących życie modyfikacji genetycznych wciąż wzbudza niepokój, a nawet odrazę wśród niektórych, jednocześnie będąc jednym z największych eksperymentów w dziejach świata. Braki w edukacji? Zapewne niewiele osób chorujących na cukrzycę ma świadomość, że insulina, która ratuje im życie powstała właśnie za sprawą rekombinacji genetycznych. Przyjrzyjmy się historii badań, które przyczyniły się do rozwoju technik modyfikacji genetycznych, tak znacząco poprawiając nasze codzienne życie.

 

Nie taki diabeł straszny jak go malują

Ciągłe sukcesy w dziedzinie biotechnologii czy nowe odkrycia nanotechnologii i nieustanne prace naukowców wielu innych dziedzin na całym świecie zmierzają ku efektywnemu wykorzystywaniu metod inżynierii genetycznej (patrz przypis 1), pozwalających na uzyskiwanie genetycznie modyfikowanych mikroorganizmów, roślin i zwierząt. Mogłoby się wydawać, że najbardziej dotyczy nas temat zmodyfikowanej genetycznie żywności, bowiem to właśnie na sklepowych półkach można zaobserwować produkty zaetykietowane jako „bez GMO” jednak tak naprawdę w Polsce żywność modyfikowana nie jest spożywana. Niewiele jednak osób jest świadomych tego, jaki wpływ na życie mają modyfikacje innych organizmów. Spójrzmy najpierw na ogólne informacje dotyczące modyfikacji genetycznych i rekombinacji, poznajmy korzyści wynikające z ich stosowania.

Organizacja Narodów Zjednoczonych do spraw Wyżywienia i Rolnictwa (ang. Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO) oraz Komisja Europejska definiują GMO jako rośliny lub zwierzęta wytwarzane takimi technikami, w których materiał genetyczny został zmieniony w sposób, który nie występuje naturalnie poprzez kojarzenie (patrz przypis 2) czy naturalną rekombinację (patrz przypis 3) [9]. Światowa Organizacja Zdrowia (ang. World Health Organization, WHO) w następujący sposób definiuje organizmy GM: „Organizmy zmodyfikowane genetycznie (GMO) można zdefiniować jako organizmy (tj. rośliny, zwierzęta lub mikroorganizmy), w których materiał genetyczny (DNA) został zmieniony w sposób, który nie występuje naturalnie w wyniku kojarzenia i/lub naturalnej rekombinacji. Technologia ta jest często nazywana „nowoczesną biotechnologią” lub „technologią genów”, czasami także „technologią rekombinacji DNA” lub „inżynierią genetyczną”. Pozwala na przenoszenie wybranych pojedynczych genów z jednego organizmu do drugiego, także między niespokrewnionymi gatunkami. Żywność wyprodukowana z lub przy użyciu organizmów GM jest często określana jako żywność GM” [10].

Kontrowersje i obawy stanowią nieodłączny element dziedziny jaką jest inżynieria genetyczna. Jednym z największych nieporozumień na temat organizmów modyfikowanych genetycznie jest to, że są one nienaturalne oraz szkodliwe. Jednak tak naprawdę, natura od zawsze miała swój własny sposób na przenoszenie genów z jednego gatunku na drugi, czego efektem było tworzenie właśnie swego rodzaju GMO. Natomiast współczesne sukcesy nauki w tym obszarze to nic innego jak okiełznanie przez człowieka naturalnego procesu celem wywołania określonych zmian genetycznych, co istotne – w kontrolowany sposób. Jeżeli chodzi o zwierzęta GM, to część z nich pozostaje wciąż na etapie badań. Zdecydowana większość jest produkowana do użytku w badaniach laboratoryjnych, głównie ssaki – bowiem są one najlepszymi modelami chorób człowieka, do badania funkcji określonych genów. Inne zastosowania to wytwarzanie produktów przemysłowych bądź terapeutycznych jak również zastosowania rolnicze. Wciąż trwają prace nad poprawą tempa wzrostu, jakości mięsa, odporności na choroby i przeżywalności zwierząt celem wprowadzenia ich na rynek konsumencki. Szacuje się, że do 2049 roku, światowa populacja osiągnie dziewięć miliardów ludzi [9]. Stanowi to niebagatelne wyzwanie dla rolnictwa, bowiem jak w zrównoważony sposób nakarmić całą populację? W tym aspekcie, to właśnie biotechnologia i produkcja upraw genetycznie modyfikowanych (GM) wypełnia lukę. Korzyści inżynierii genetycznej w rolnictwie to między innymi: zwiększone plony, zmniejszone koszty produkcji żywności, zmniejszone zapotrzebowanie na pestycydy, lepszy skład składników odżywczych i jakość żywności, odporność na szkodniki i choroby, większe bezpieczeństwo w aspekcie żywności. Niektóre modyfikacje genetyczne mają na celu wzbogacenie pewnych składników odżywczych lub substancji o wysokiej wartości terapeutycznej i prozdrowotnej, w tym witamin A ( Kukurydza StarLink), C, E, nienasyconych kwasów tłuszczowych, błonnika pokarmowego i probiotyków [19]. Korzystając z dobrodziejstw biotechnologii, naukowcy mogą również zmieniać skład aminokwasowy białek, a także zawartość węglowodanów.

Techniki inżynierii genetycznej umożliwiają ekspresję antygenów wirusowych lub bakteryjnych w jadalnej części komórek roślinnych. Różne uprawy (np. ryż, kukurydza, soja i ziemniaki) są badane jako potencjalni nosiciele jadalnych szczepionek przeciwko różnym infekcjom, w tym toksynom Escherichia coli, wirusowi wścieklizny, bakteriom Helicobacter pylori i wirusowemu zapaleniu wątroby typu B [3]. Zidentyfikowano już geny, które poprawiają smak czy przedłużają świeżość spożywanej żywności. Istnieją również geny, które pozwalają na uprawę bardziej wydajnych roślin w trudnych warunkach, gdzie przykładowo brakuje wody, świeci mocne słońce czy też istnieje zagrożenie ze strony zwierząt [1]. Poczyniono również postępy w opracowywaniu roślin, które dojrzewają szybciej i tolerują glin, bor, sól, suszę, mróz i inne czynniki stresogenne, co pozwala roślinom rozwijać się w warunkach, w których inaczej nie byłoby to możliwe [2]. Uprawy dążą obecnie do nadania roślinom dwóch pożądanych właściwości – odporności na szkodniki lub odporności na herbicydy [3]. Odporność na owady uzyskuje się na przykład poprzez włączenie do danej rośliny genu pochodzącego z bakterii glebowej Bacillus thuringiensis (Bt) (patrz przypis 10), który umożliwia jej wytwarzanie toksycznego dla niektórych owadów białka Cry, które jest jednocześnie bezpieczne do spożycia przez ludzi. Komórki zmodyfikowanych roślin, zawierające w swoim wnętrzu białka Cry są toksyczne dla owada bowiem w jego przewodzie pokarmowym następuje aktywacja tego białka, które łączy się ze specyficznymi receptorami w błonie komórek przewodu pokarmowego. Proces ten prowadzi do niszczenia komórek błony, co skutkuje śmiercią owada [13]. Rośliny, które produkują białko Cry, są w stanie ochronić same siebie przed atakiem określonych szkodników, co w konsekwencji przekłada się na zmniejszenie zużycia środków owadobójczych [13].

Prace nad rozpoczęciem zastosowania rekombinacji genetycznej z udziałem Bt podjęto z powodu zanieczyszczeń środowiska i skutków zdrowotnych, takich jak nowotwory i zaburzenia układu odpornościowego, które były konsekwencjami stosowania środków chemicznych w uprawie roślin [13]. Pierwszą uprawianą rośliną Bt był ziemniak odporny na stonkę, inne to bawełna i kukurydza [14]. Kolejnym popularnym rodzajem stosowanych modyfikacji w obecnych uprawach jest tolerancja na herbicydy, która polega na wprowadzeniu do genomu roślin genów warunkujących odporność na dany herbicyd. [10]. Niepokój wśród części społeczeństwa można przypisać kwestiom takim jak: trudności społeczności naukowej w wyjaśnieniu ludziom stosowanych technik technologicznych, obawy dotyczące niewłaściwego rozpowszechniania żywności GM, obawy dotyczące adekwatnej oceny żywności GM [3].

 

Zarys historyczny prac nad modyfikacjami genetycznymi

W czerwcu 1972 roku Janet E. Mertz, pracująca od 1970 roku w laboratorium Paula Berga na wydziale biochemii w Stanford, stworzyła pierwsze zrekombinowane DNA, sklonowane w bakteriach [22]. Mertz udało się także zidentyfikować enzym EcoRI (patrz przypis 4), w 1968 roku, po wyizolowaniu go z bakterii E. coli wyhodowanych od pacjenta z lekooporną infekcją dróg moczowych. Odkryła ona, że końce DNA wytworzone przez cięcie enzymem restrykcyjnym EcoRI są „lepkie”, umożliwiając rekombinację dowolnych dwóch DNA. Osiągnięcia Mertz zaowocowały tym, że jej opiekun naukowy – Paul Berg, otrzymał w 1980 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Początek sukcesów Mertz miał swe miejsce już w momencie przeprowadzania badań nad połączeniem DNA małpiego wirusa SV40 z wirusem lambda (patrz przypis 5). Za kolejnym głośnym sukcesem zapisanym na kartach historii stoją Herbert Boyer i Stanley Norman Cohen, których współpraca, a w szczególności ich publikacja naukowa z 1973 r. zatytułowana: „Construction of biologically functional bacterial plasmids in vitro” (autorstwa Cohena, Changa, Boyera i Hellinga), jest uważana za przełomową w dziedzinie inżynierii genetycznej. Nie tylko różne plazmidy z E. coli zostały pomyślnie połączone i wstawione z powrotem do komórek E. coli lecz komórki te replikowały się i przekazywały nową informację genetyczną [16].

Kolejne eksperymenty, w których przeniesiono geny plazmidu Staphylococcus do E. coli, wykazały, że geny można przenosić między gatunkami. Naukowcy zastosowali technologię rekombinacji DNA, pozwalającą na uzyskaniu w bakterii oporności na antybiotyki. Wykorzystali do tego przełomowego eksperymentu plazmid pSC101, służący jako wektor w eksperymentach klonowania genetycznego [16]. Jest on powszechnie stosowany do genetycznej manipulacji Escherichia coli [18]. W 1980 roku, pSC101 stał się pierwszym opatentowanym komercyjnym wektorem do klonowania DNA. „SC” oznacza Stanleya Cohena [2]. Mimo że oryginalny pSC101 zawierał jedynie oporność na tetracyklinę i miejsce restrykcyjne dla EcoRI, dostępny w handlu pSC101 zyskał miejsca restrykcyjne dla kilku enzymów, w tym HindIII (patrz przypis 6), oprócz miejsca EcoRI [7]. Połączono plazmidy oporne na tetracyklinę (patrz przypis 7) z plazmidami opornymi na kanamycynę (patrz przypis 8) i wstawiono je do E. coli. Następnie wykazano, że materiał genetyczny rzeczywiście można przenosić między gatunkami [16].

Warto mieć na uwadze, że Stanley Cohen, z wykształcenia lekarz, rozpoczął już kilka lat wcześniej badania nad procesem zakażeń gdyż odkrycie penicyliny w 1928 roku, a kolejno innych antybiotyków, nie przyniosło oczekiwanych rezultatów – miało bowiem położyć kres chorobom zakaźnym. Z powodu oporności, jaką bakterie wytworzyły na antybiotyki (i wytwarzają nadal, co staje się co raz bardziej niebezpieczne) naukowcy poczuli się bezradni. Potrzeba było kolejnego przełomu. Wiadomo było, że bakterie mają zdolność do wymiany między sobą opornością, czasami posiadając oporność na wiele leków jednocześnie. Miejsce powiązane bezpośrednio z opornością bakterii, naukowcy oznaczyli jako “czynnik R” (patrz przypis 9) – kawałek DNA bakterii, który może przenosić się między jedną bakterią a drugą. Bakterie mają jeden duży chromosom, który zawiera większość ich genów. Mogą również przechowywać geny na plazmidach – mniejszych, okrągłych kawałkach DNA. Czynniki R działały właśnie na tych plazmidach.

W roku 1968, Cohen postanowił zbadać, w jaki sposób geny oporności na czynniki R były organizowane, kontrolowane oraz nabywane. Początkowo, naukowcy w jego laboratorium próbowali przemieszczać plazmidy czynnika R w obrębie jednego gatunku bakterii, by w końcu móc wprowadzić oczyszczone plazmidy do nowych bakterii w 1971 roku. Boyer z kolei wraz ze swym zespołem, zupełnie w innym miejscu, niezależnie pracował nad enzymami restrykcyjnymi. Grupy naukowców pracowały niezależnie by finalnie połączyć siły i osiągnąć wspólny sukces. Z powodzeniem również grupa ta dokonała ekspresji ludzkiego genu w bakteriach, kiedy wyprodukowano hormon somatostatynę w 1977 roku [16]. Do grupy dołączyli następnie David Goeddel i Dennis Kleid, którzy przyczynili się do kolejnego wielkiego wydarzenia, jakim było wytworzenie ludzkiej insuliny w 1978 roku, za sprawą genetycznie zmodyfikowanych bakterii wytwarzających insulinę, po wprowadzeniu do ich komórek genu człowieka odpowiedzialnego za wytwarzanie hormonu w komórkach trzustki. W sprzedaży insulina znalazła się w 1982 roku, zatwierdzona wcześniej przez Agencję Żywności i Leków, (ang. Food and Drug Administration, FDA). Produkt Humulin był pierwszym w historii zatwierdzonym genetycznie zmodyfikowanym lekiem dla ludzi [16] (o insulinie możecie dowiedzieć się więcej z innego artykułu tego wydania Genetyki, autorstwa Marty Andrzejewskiej).

Naukowcy w składzie: Cohen, Boyer oraz Berg, ocenili możliwe niebezpieczeństwa związane z organizmami o zrekombinowanym DNA. W artykule z 1974 r. grupa zaproponowała, aby nie wprowadzano genów oporności na antybiotyki do gatunków bakterii, o których nie wiadomo było, że mają taką oporność, ani nie powinni przenosić zwierzęcych genów wirusowych do plazmidów. Narodowe Instytuty Zdrowia wydały również wytyczne, nakazujące przeprowadzanie najbardziej ryzykownych eksperymentów w obiektach zabezpieczonych śluzami, takich jak te, których używa się do badania wirusa Ebola i innych patogenów bardzo wysokiego ryzyka [16]. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Science z 1977 r. Cohen argumentował, że ryzyko związane z inżynierią genetyczną jest w większości spekulacyjne, podczas gdy korzyści są znacznie bardziej prawdopodobne. Pierwsze zwierzę genetycznie modyfikowane powstało w 1974 roku, gdy Rudolf Jaenisch wprowadził obce DNA do myszy, skupiając się na wykorzystywaniu ich do badania nowotworów i chorób neurologicznych.

Za pierwszą komercyjną, zmodyfikowaną genetycznie roślinę uprawną, jadalną i dopuszczoną do spożycia przez ludzi uważany jest pomidor o nazwie Flavr Savr, który został zaprojektowany tak, by miał dłuższy okres przydatności do spożycia i był odporny na gnicie. Przedstawiono go do oceny amerykańskiej Agencji Żywności i Leków w 1992 roku, a wprowadzono do sprzedaży w 1994 roku. Pozostał na rynku zaledwie przez kilka lat, zanim wstrzymano jego produkcję z powodu nieopłacalności [20].

Z kolei GloFish, pierwszy genetycznie zmodyfikowany organizm, zatwierdzony jako zwierzę domowe, został sprzedany w Stanach Zjednoczonych w grudniu 2003 roku. Natomiast genetycznie zmodyfikowany łosoś atlantycki (Salmo salar), nazwany AquAdvantage, został zarejestrowany w 1989 r. przez firmę AquaBounty Technologies, spółkę zależną od biotechnologicznej firmy Intrexon. Stało się to możliwe,

ponieważ zmodyfikowany łosoś zawiera konstrukt (patrz przypis 11) rDNA, który składa się z genu hormonu wzrostu z łososia pacyficznego – czawyczy pod kontrolą promotora ( tj. sekwencji DNA, która zmienia ekspresję genu) od węgorzycy amerykańskiej (Zoarces americanus), dzięki czemu hormon wzrostu produkowany jest stale w przeciwieństwie do łososia niemodyfikowanego [24]. Dzięki temu AquAdvantage rośnie przez cały rok, w przeciwieństwie do zwykłych łososi, które przyrastają jedynie w okresie wiosenno-letnim. Osiąga wielkość rynkową w ciągu 16-18 miesięcy a nie 36 [21]. Naukowcom powiodły się próby zmodyfikowania łososia, w efekcie czego szybciej dojrzewał, a amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków uznała tę rybę za bezpieczną do spożycia. Amerykański Urząd ds. Żywności i Leków (U.S. Food and Drug Administration – FDA) wydał zezwolenie, na wprowadzenie na rynek łososia GM, co dokonało się w 2016 roku. Było to pierwsze dopuszczone do sprzedaży, zmodyfikowane przez naukowców zwierzę przeznaczone do spożycia.

W 1976 roku Herbert Boyer i Robert Swanson założyli Genentech, firmę, która była pierwszą firmą zajmującą się inżynierią genetyczną, odpowiedzialną między innymi za wytworzenie hormonu wzrostu a także ludzkiej insuliny. W 2010 roku naukowcy z Instytutu J. Craiga Ventera sukcesywnie obniżali liczbę genów chromosomu bakterii Mycoplasma, aż osiągnęli minimalny wymagany zestaw do życia i replikacji. Następnie ponownie zsyntetyzowali geny w jeden łańcuch DNA tworząc tym samym od podstaw genom bakterii i z sukcesem przeszczepiając go do komórki. Powstał gatunek bakterii o liczbie genów mniejszej niżeli jakakolwiek inna znana w naturze – zasadniczo tworząc nowy organizm z minimalną liczbą genów niezbędną do życia [23][19].

Tematyka manipulacji genami nie jest prosta, łatwo spotkać się ze sprzeciwem. Jednakże jedno jest pewne – należy najpierw poznać kulisy powstania, wydarzenia towarzyszące, cele, by następnie, bazując na rzetelnych źródłach mieć świadomość ogólną w tym temacie. Niniejszy tekst przeprowadza czytelnika przez wydarzenia, które miały wpływ na rozwój inżynierii genetycznej. Wywarły one ogromny wpływ na biotechnologię.

 

 

Przypisy

  1. Celowa i świadoma ingerencja w materiał genetyczny organizmów, celem zmiany właściwości dziedzicznych. Do komórek organizmu, którego cechy mają podlegać zmianie, wprowadzany jest określony odcinek DNA innego organizmu – klonowanie DNA.
  2. Jedna z metod hodowlanych, która powoduje wzrost homozygotyczności potomstwa a także wyodrębnienie się genetycznie zróżnicowanych linii hodowlanych
  3. Proces wymiany materiału genetycznego, w wyniku którego powstają nowe genotypy
  4. Endonukleaza wyizolowana po raz pierwszy ze szczepu RY13 pałeczki okrężnicy, będąca częścią bakteryjnego systemu modyfikacji restrykcyjnych, w biologii molekularnej używana jako enzym restrykcyjny.
  5. Wirus atakujący bakterię. Stosowany jako organizm modelowy w biotechnologii i biologii molekularnej i jako wektor w klonowaniu (po wprowadzeniu obcego DNA do genomu faga).
  6. Enzym restrykcyjny wyizolowany z Haemophilus influenzae, który przecina DNA sekwencji palindromowej AAGCTT w obecności kofaktora Mg 2+ poprzez hydrolizę
  7. Antybiotyk stosowany do leczenia infekcji wywołanych przez Streptomyces pneumonia.
  8. Antybiotyk aminoglikozydowy, wytwarzany w oparciu o mikroorganizmy z gatunku Streptomyces kanamyceticus
  9. Pozachromosomowy element genetyczny zbudowany z DNA (kwas deoksyrybonukleinowy), zdolny do przenoszenia oporności (np. na leki) z jednej bakterii na drugą
  10. Gram-dodatnia bakteria, która bytuje w glebie a także w przewodach pokarmowych gąsienic różnych gatunków motyli. Powszechnie stosowana do biologicznego zwalczania szkodników. W procesie tworzenia przetrwalników wiele szczepów Bt wytwarza kryształy z białek – Cry – o działaniu owadobójczym. Toksyny te oraz same przetrwalniki stosowane są w rolnictwie jako biopestycydy. Geny Bt są używane w modyfikowanych genetycznie roślinach celem uodpornienia je na szkodniki.
  11. Przy udziale promotora rozpoczyna się proces przepisywania informacji genetycznej podczas transkrypcji.

 

Bibliografia

  1. www.forbes.com/sites/gmoanswers/2016/10/04/nature-and-gmos/?sh=dc1525e27f41
  2. Phillips, T. (2008) Genetically modified organisms (GMOs): Transgenic crops and recombinant DNA technology. Nature Education 1(1):213
  3. C. Zhang,R. Wohlhueter, Genetically modified foods: A critical review of their promise and problems, , Volume 5, Issue 3, September 2016, Pages 116-123
  4. https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/genetically-modified-organisms/
  5. P. Rzymski, A. Królczyk, Attitudes toward genetically modified organisms in Poland: to GMO or not to GMO?. Food Sec. 8, 689–697 (2016).
  6. A.Jurkiewicz, Genetyczne modyfikacje organizmów – biotechnologiczny eksperyment na organizmach żywych. Med Og Nauk Zdr. 2012; 18(3): 236-24
  7. https://laskerfoundation.org/stanley-n-cohen-transforming-molecular-biology/
  8. http://www.genomenewsnetwork.org/resources/timeline/1973_Boyer.php
  9. Oliver MJ. Why we need GMO crops in agriculture. Mo Med. 2014;111(6):492-507.
  10. https://www.who.int/news-room/q-a-detail/food-genetically-modified
  11. http://www.nutrilife.pl/index.php?art=189
  12. https://www.foodqualityandsafety.com/article/fda-clears-genetically-modified-salmon-for-human-consumption/
  13. Alejandra Bravo, Supaporn Likitvivatanavong, Sarjeet S. Gill, Mario Soberón, Bacillus thuringiensis: A story of a successful bioinsecticide, Insect Biochemistry and Molecular Biology, Volume 41, Issue 7, 2011, 423-431.
  14. Państwowa Inspekcja Ochrony Roślin i Nasiennictwa, Cooperation Agency for Local Authorities, Organizmy genetycznie modyfikowane, podstawowe informacje, Materiał opublikowany z funduszy Unii Europejskiej
  15. Thompson, MG, Sedaghatian, N., Barajas, JF i in. Izolacja i charakterystyka nowych mutacji w początku pSC101, które zwiększają liczbę kopii. Sci Rep 8, 1590 (2018).
  16. https://www.sciencehistory.org/historical-profile/herbert-w-boyer-and-stanley-n-cohen
  17. https://www.britannica.com/biography/Norman-Borlaug
  18. M. Gabryelska, M. Szymański J. Bartoszewski, DNA – cząsteczka, która zmieniła naukę. Krótka historia odkryć, NAUKA 2/2009, 111-134.
  19. https://www.forbes.com/sites/matthewherper/2016/03/24/bio-maverick-craig-venter-hacks-bacteria-to-have-tiniest-possible-genetic-code/?sh=723f94743505
  20. https://web.archive.org/web/20090413040717/http://geopie.cornell.edu/crops/tomato.html
  21. https://www.foodqualityandsafety.com/article/fda-clears-genetically-modified-salmon-for-human-consumption/
  22. Program in the History of the Biosciences and Biotechnology A Stanford Professor’s Career in Biochemistry, Science Politics, and the Biotechnology Industry, Paul Berg, Ph.D. Interviews Conducted by Sally Smith Hughes, Ph.D. in 1997
  23. R.D. Sleator, JCVI-syn3.0 – A synthetic genome stripped bare!, Bioengineered. 2016 Mar-Apr; 7(2): 53–56.
  24. K. Kajak-Siemasszko, K. Boruszewska, W. Przybylski, Modyfikacje genetyczne żywności pochodzenia zwierzęcego, ŻYWNOŚĆ. Nauka. Technologia. Jakość, 2016, 5 (108), 18 – 32.

 

Podziel się: