Τι είναι οι ΓΤΟ και πώς γίνονται;

Ο ΓΤΟ είναι σύντομος για τον "γενετικώς τροποποιημένο οργανισμό". Η γενετική τροποποίηση ήταν εδώ και δεκαετίες και είναι ο πιο αποτελεσματικός και γρήγορος τρόπος για να δημιουργήσετε ένα φυτό ή ζώο με ένα συγκεκριμένο γνώρισμα ή χαρακτηριστικό γνώρισμα. Επιτρέπει ακριβείς, συγκεκριμένες αλλαγές στην αλληλουχία DNA. Επειδή το DNA ουσιαστικά περιλαμβάνει το σχέδιο για ολόκληρο τον οργανισμό, οι αλλαγές στο DNA αλλάζουν αυτό που είναι ένας οργανισμός και τι μπορεί να κάνει. Οι τεχνικές για το χειρισμό του DNA αναπτύχθηκαν μόνο τα τελευταία 40 χρόνια.

Πώς τροποποιείτε γενετικά έναν οργανισμό; Στην πραγματικότητα, πρόκειται για μια αρκετά ευρεία ερώτηση. Ένας οργανισμός μπορεί να είναι ένα φυτό, ένα ζώο, ένας μύκητας ή ένα βακτήριο και όλα αυτά μπορούν και έχουν κατασκευαστεί γενετικά για σχεδόν 40 χρόνια. Οι πρώτοι γενετικά τροποποιημένοι οργανισμοί ήταν βακτήρια στις αρχές της δεκαετίας του 1970. Έκτοτε, τα γενετικά τροποποιημένα βακτήρια έχουν γίνει ο άξονας εργασίας εκατοντάδων χιλιάδων εργαστηρίων που κάνουν γενετικές τροποποιήσεις τόσο στα φυτά όσο και στα ζώα. Οι περισσότερες από τις βασικές ανακατασκευές γονιδίων και οι τροποποιήσεις σχεδιάζονται και προετοιμάζονται με τη χρήση βακτηρίων, κυρίως μερικών παραλλαγών

Η γενική προσέγγιση για τη γενετική τροποποίηση των φυτών, των ζώων ή των μικροβίων είναι εννοιολογικά αρκετά παρόμοια. Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένες διαφορές στις συγκεκριμένες τεχνικές λόγω των γενικών διαφορών μεταξύ φυτικών και ζωικών κυττάρων. Για παράδειγμα, τα φυτικά κύτταρα έχουν κυτταρικά τοιχώματα και τα ζωικά κύτταρα δεν.

Τα γενετικώς τροποποιημένα ζώα προορίζονται αποκλειστικά για ερευνητικούς σκοπούς, όπου χρησιμοποιούνται συχνά ως μοντέλα βιολογικών συστημάτων για την ανάπτυξη φαρμάκων. Έχουν αναπτυχθεί κάποια γενετικά τροποποιημένα ζώα για άλλους εμπορικούς σκοπούς, όπως π.χ. φθορίζοντα ψάρια ως κατοικίδια ζώα και γενετικά τροποποιημένα κουνούπια για τον έλεγχο των κουνούπια που μεταφέρουν ασθένεια. Ωστόσο, αυτές είναι σχετικά περιορισμένες εφαρμογές εκτός της βασικής βιολογικής έρευνας. Μέχρι στιγμής, δεν έχουν εγκριθεί γενετικά τροποποιημένα ζώα ως πηγή τροφής. Σύντομα, όμως, αυτό μπορεί να αλλάξει με το σολομό AquaAdvantage που κάνει το δρόμο του μέσα από τη διαδικασία έγκρισης.

Με τα φυτά, ωστόσο, η κατάσταση είναι διαφορετική. Ενώ πολλά φυτά τροποποιούνται για έρευνα, ο στόχος της μεγαλύτερης γενετικής τροποποίησης των καλλιεργειών είναι να καταστήσουν ένα φυτικό στέλεχος που είναι εμπορικά ή κοινωνικά επωφελές. Για παράδειγμα, οι αποδόσεις μπορούν να αυξηθούν εάν τα φυτά έχουν κατασκευαστεί με βελτιωμένη αντοχή σε ένα παράσιτο που προκαλεί ασθένειες όπως το Rainbow Papaya, ή την ικανότητα να αναπτυχθεί σε μια αφιλόξενη, ίσως ψυχρότερη περιοχή. Τα φρούτα που μένουν ώριμα περισσότερο, όπως Ατελείωτες καλοκαιρινές τομάτες, παρέχει περισσότερο χρόνο για το χρόνο αποθήκευσης μετά τη συγκομιδή για χρήση. Επίσης, χαρακτηριστικά που ενισχύουν τη θρεπτική αξία, όπως Χρυσή Ρύζι που έχουν σχεδιαστεί για να είναι πλούσια σε βιταμίνη Α, ή χρησιμότητα των φρούτων, όπως μη μαύρισμα Αρκτικό Μήλα έχουν γίνει επίσης.

Ουσιαστικά, μπορεί να εισαχθεί οποιοδήποτε χαρακτηριστικό που μπορεί να εκδηλωθεί με την προσθήκη ή αναστολή ενός συγκεκριμένου γονιδίου. Τα χαρακτηριστικά που απαιτούν πολλαπλά γονίδια θα μπορούσαν επίσης να αντιμετωπιστούν, αλλά αυτό απαιτεί μια πιο περίπλοκη διαδικασία που δεν έχει ακόμη επιτευχθεί με τις εμπορικές καλλιέργειες.

Πριν εξηγήσουμε πώς τοποθετούνται τα νέα γονίδια στους οργανισμούς, είναι σημαντικό να καταλάβουμε τι είναι ένα γονίδιο. Όπως πολλοί πιθανόν γνωρίζουν, τα γονίδια είναι κατασκευασμένα από DNA, το οποίο αποτελείται εν μέρει από τέσσερις βάσεις που συνήθως σημειώνονται απλά Α, Τ, Ο, Ο. Η γραμμική τάξη αυτών των βάσεων σε μια σειρά κάτω από έναν κλώνο DNA ενός γονιδίου μπορεί να θεωρηθεί ως ένας κώδικας για μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη, ακριβώς όπως γράμματα σε μια γραμμή κώδικα κειμένου για μια πρόταση.

Οι πρωτεΐνες είναι μεγάλα βιολογικά μόρια φτιαγμένα από αμινοξέα συνδεδεμένα μεταξύ τους σε διάφορους συνδυασμούς. Όταν ο σωστός συνδυασμός αμινοξέων συνδέεται μεταξύ τους, η αλυσίδα αμινοξέων διπλώνεται μαζί σε μια πρωτεΐνη με ένα συγκεκριμένο σχήμα και τα σωστά χημικά χαρακτηριστικά μαζί για να μπορέσει να εκτελέσει μια συγκεκριμένη λειτουργία ή αντίδραση. Τα έμβια όντα αποτελούνται κυρίως από πρωτεΐνες. Ορισμένες πρωτεΐνες είναι ένζυμα που καταλύουν χημικές αντιδράσεις. άλλοι μεταφέρουν υλικό στα κύτταρα και μερικοί λειτουργούν ως διακόπτες που ενεργοποιούν ή απενεργοποιούν άλλες πρωτεΐνες ή πρωτεϊνικές καταρράκτες. Έτσι, όταν ένα νέο γονίδιο εισάγεται, δίνει στο κύτταρο την ακολουθία κώδικα για να μπορέσει να κάνει μια νέα πρωτεΐνη.

Στα φυτά και τα ζωικά κύτταρα, σχεδόν όλο το DNA διατάσσεται σε αρκετές μακρές αλυσίδες που έχουν τυπωθεί σε χρωμοσώματα. Τα γονίδια είναι στην πραγματικότητα μόνο μικρά τμήματα της μακράς ακολουθίας του DNA που συνθέτουν ένα χρωμόσωμα. Κάθε φορά που ένα κύτταρο αναπαράγεται, όλα τα χρωμοσώματα αντιγράφονται πρώτα. Αυτό είναι το κεντρικό σύνολο οδηγιών για το κελί και κάθε κελί απογόνων παίρνει ένα αντίγραφο. Έτσι, για να εισαγάγει ένα νέο γονίδιο που επιτρέπει στο κύτταρο να κάνει μια νέα πρωτεΐνη που προσδίδει ένα συγκεκριμένο γνώρισμα, κάποιος πρέπει απλά να εισάγει ένα κομμάτι DNA σε ένα από τα μακρά τμήματα χρωμοσωμάτων. Μόλις εισαχθεί, το DNA θα περάσει σε οποιαδήποτε θυγατρικά κύτταρα, όταν τα κύτταρα θα αναπαράγονται όπως όλα τα άλλα γονίδια.

Στην πραγματικότητα, βέβαιοι τύπους DNA μπορεί να διατηρηθεί σε κύτταρα ξεχωριστά από τα χρωμοσώματα και τα γονίδια μπορούν να εισαχθούν χρησιμοποιώντας αυτές τις δομές, έτσι ώστε να μην ενσωματωθούν στο χρωμοσωμικό DNA. Ωστόσο, με αυτήν την προσέγγιση, δεδομένου ότι το χρωμοσωμικό DNA του κυττάρου μεταβάλλεται, συνήθως δεν διατηρείται σε όλα τα κύτταρα μετά από αρκετές ανατυπώσεις. Για τη μόνιμη και κληρονομική γενετική τροποποίηση, όπως αυτές που χρησιμοποιούνται για την καλλιέργεια, χρησιμοποιούνται χρωμοσωμικές τροποποιήσεις.

Η γενετική μηχανική απλά αναφέρεται στην εισαγωγή μιας νέας αλληλουχίας βάσης DNA (που συνήθως αντιστοιχεί σε ένα ολόκληρο γονίδιο) στο χρωμοσωμικό DNA του οργανισμού. Αυτό μπορεί να φαίνεται εννοιολογικά απλό, αλλά τεχνικά, παίρνει λίγο πιο περίπλοκο. Υπάρχουν πολλές τεχνικές λεπτομέρειες που σχετίζονται με τη λήψη της σωστής ακολουθίας DNA με τα σωστά σήματα στο χρωμόσωμα στο σωστό πλαίσιο που επιτρέπει στα κύτταρα να αναγνωρίζουν ότι είναι ένα γονίδιο και να το χρησιμοποιήσει για να κάνει ένα νέο πρωτεΐνη.

Υπάρχουν τέσσερα βασικά στοιχεία που είναι κοινά για όλες σχεδόν τις διαδικασίες γενετικής μηχανικής:

1. Πρώτον, χρειάζεστε ένα γονίδιο. Αυτό σημαίνει ότι χρειάζεστε το φυσικό μόριο DNA με τις συγκεκριμένες ακολουθίες βάσεων. Παραδοσιακά, αυτές οι αλληλουχίες ελήφθησαν απευθείας από έναν οργανισμό χρησιμοποιώντας οποιαδήποτε από τις πολλές επίπονες τεχνικές. Σήμερα, παρά η εξαγωγή DNA από έναν οργανισμό, οι επιστήμονες συνήθως συντίθενται απλά από τις βασικές χημικές ουσίες Α, Τ, C, G. Μόλις ληφθεί, η αλληλουχία μπορεί να εισαχθεί σε ένα τεμάχιο βακτηριακού DNA που είναι σαν ένα μικρό χρωμόσωμα (ένα πλασμίδιο) και, αφού τα βακτήρια αναπαράγονται ταχέως, μπορεί να γίνει το μεγαλύτερο μέρος του γονιδίου όπως απαιτείται.
2. Μόλις έχετε το γονίδιο, θα πρέπει να το τοποθετήσετε σε ένα σκέλος ϋΝΑ που περιβάλλεται από τη δεξιά περιοχή που περιβάλλει το DNA ώστε να επιτρέψει στο κύτταρο να το αναγνωρίσει και να το εκφράσει. Βασικά, αυτό σημαίνει ότι χρειάζεστε μια μικρή ακολουθία DNA που ονομάζεται υποκινητής που σηματοδοτεί το κύτταρο για να εκφράσει το γονίδιο.
3. Εκτός από το κύριο γονίδιο που πρόκειται να εισαχθεί, συχνά απαιτείται ένα δεύτερο γονίδιο για την παροχή ενός δείκτη ή μιας επιλογής. Αυτό το δεύτερο γονίδιο είναι ουσιαστικά ένα εργαλείο που χρησιμοποιείται για την ταυτοποίηση των κυττάρων που περιέχουν το γονίδιο.
4. Τελικά, είναι απαραίτητο να έχουμε μια μέθοδο για την απελευθέρωση του νέου DNA (δηλ. Προαγωγέα, νέο γονίδιο και δείκτη επιλογής) στα κύτταρα του οργανισμού. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να το κάνετε αυτό. Για τα φυτά, το αγαπημένο μου είναι το γενετικό όπλο προσέγγιση που χρησιμοποιεί τροποποιημένο τυφέκιο 22 για να πυροβολήσει βολφράμιο ή σωματίδια χρυσού με επικάλυψη DNA σε κύτταρα.

Με τα ζωικά κύτταρα υπάρχουν αρκετοί αντιδραστήρια διαμόλυνσης ότι το παλτό ή το σύμπλεγμα του DNA και την επιτρέπουν να περάσει μέσα από τις κυτταρικές μεμβράνες. Είναι επίσης κοινό για το DNA να συνδυάζεται μαζί με τροποποιημένο ιικό ϋΝΑ ότι αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φορέας γονιδίου για τη μεταφορά του γονιδίου στα κύτταρα. Το τροποποιημένο ιικό ϋΝΑ μπορεί να ενθυλακωθεί με φυσιολογικές ιικές πρωτεΐνες για να δημιουργηθεί ένας ψευδοϊός ο οποίος μπορεί να μολύνει κύτταρα και να εισαγάγει το DNA που φέρει το γονίδιο, αλλά να μην αναδιπλασιαστεί για να δημιουργήσει νέο ιό.

Για πολλά φυτά δικοτίνης, το γονίδιο μπορεί να τοποθετηθεί σε τροποποιημένη παραλλαγή του φορέα Τ-ϋΝΑ των βακτηρίων Agrobacterium tumefaciens. Υπάρχουν και άλλες προσεγγίσεις. Ωστόσο, με τα περισσότερα, μόνο ένας μικρός αριθμός κυττάρων συλλέγει την επιλογή γονιδίων των επεξεργασμένων κυττάρων ένα κρίσιμο μέρος αυτής της διαδικασίας. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο είναι συνήθως απαραίτητο ένα γονίδιο επιλογής ή δείκτη.

Ένας ΓΤΟ είναι ένας οργανισμός με εκατομμύρια κύτταρα και η παραπάνω τεχνική περιγράφει πραγματικά μόνο πώς να γενετικά μηχανικά μεμονωμένα κύτταρα. Ωστόσο, η διαδικασία για την παραγωγή ενός ολόκληρου οργανισμού περιλαμβάνει βασικά τη χρήση αυτών των τεχνικών γενετικής μηχανικής σε γεννητικά κύτταρα (δηλ. Κύτταρα σπέρματος και ωαρίων). Μόλις εισαχθεί το γονίδιο-κλειδί, η υπόλοιπη διαδικασία βασικά χρησιμοποιεί γενετικές τεχνικές αναπαραγωγής για την παραγωγή φυτών ή ζώων που περιέχουν το νέο γονίδιο σε όλα τα κύτταρα του σώματός τους. Η γενετική μηχανική είναι πραγματικά ακριβώς για τα κύτταρα. Η βιολογία κάνει τα υπόλοιπα.