Γενετική Μηχανική 🧪
Η κατανόηση των μηχανισμών που διέπουν την έκφραση της γενετικής πληροφορίας άνοιξε καινούριους δρόμους για τους βιολόγους ερευνητές. Το πρώτο βήμα ήταν η πραγματοποίηση αυτών των διαδικασιών και στο εργαστήριο (in vitro). Ο δρόμος ήταν πλέον ανοιχτός για την παραγωγή χρήσιμων πρωτεϊνών, όπως η ινσουλίνη, ορμόνη απαραίτητη για τους πάσχοντες από σακχαρώδη διαβήτη. 💉
✂️ Ανασυνδυασμένο DNA
Τον δρόμο άνοιξε μια ανακάλυψη του Γ. Άρμπερ, Ελβετού βιολόγου, που έθεσε τις βάσεις για τον προσδιορισμό και την απομόνωση από βακτήρια, όπως η E. coli, μιας σειράς ενζύμων (ενδονουκλεάσες περιορισμού), τα οποία έχουν τη δυνατότητα να κόβουν το μόριο του DNA σε συγκεκριμένα σημεία, δημιουργώντας άκρα με συγκεκριμένη αλληλουχία νουκλεοτιδίων. Παίζουν δηλαδή τον ρόλο μοριακών ψαλιδιών. ✂️
Η διαδικασία που ακολουθείται είναι η εξής: απομονώνεται από κύτταρα ανθρώπου το DNA, το οποίο στη συνέχεια κόβεται, με τη βοήθεια κατάλληλου ενζύμου, σε συγκεκριμένα σημεία, ώστε να απομονωθεί το τμήμα του DNA το οποίο περιέχει το γονίδιο που μας ενδιαφέρει (για παράδειγμα, το γονίδιο που είναι υπεύθυνο για τη σύνθεση μιας ορμόνης). Τα άκρα των κομματιών που δημιουργούνται παρουσιάζουν καθορισμένη αλληλουχία βάσεων.
Παράλληλα από βακτήρια E. coli απομονώνονται πλασμίδια (μικρά κυκλικά μόρια DNA, που υπάρχουν ανεξάρτητα από το κύριο γενετικό υλικό του βακτηρίου). Με την επίδραση του ίδιου ενζύμου κάθε πλασμίδιο κόβεται σε συγκεκριμένη περιοχή. Δημιουργούνται έτσι και σ' αυτό άκρα με αλληλουχία βάσεων, συμπληρωματική εκείνης που υπάρχει στα άκρα του DNA του γονιδίου που απομονώθηκε από τον άνθρωπο. Αυτό επιτρέπει τη σύνδεση του τμήματος του DNA που περιέχει το επιθυμητό γονίδιο με το βακτηριακό πλασμίδιο. Το DNA που προκύπτει είναι το ανασυνδυασμένο DNA.
Το ανασυνδυασμένο DNA τοποθετείται και πάλι σε βακτήρια, τα οποία το αντιγράφουν, το μεταγράφουν και το μεταφράζουν παράλληλα με το δικό τους γενετικό υλικό. Παράγουν δηλαδή και την ορμόνη για την οποία είναι υπεύθυνο το γονίδιο που έχει ενσωματωθεί στο πλασμίδιο.
Από τον πολλαπλασιασμό των βακτηρίων που φέρουν το ανασυνδυασμένο DNA με μονογονία προκύπτουν γενετικά όμοια βακτήρια (κλώνοι), τα οποία έχουν όλα τη δυνατότητα, αφού περιέχουν το ανασυνδυασμένο DNA, να παράγουν και την επιθυμητή πρωτεΐνη.
Η διαδικασία αυτή απλοποιήθηκε με την ανακάλυψη και απομόνωση του ενζύμου αντίστροφη μεταγραφάση από τους Χ. Τέμιν και Ντ. Μπάλτιμορ, που τιμήθηκαν με βραβείο Νόμπελ, όπως και ο Γ. Άρμπερ. Χάρη στο ένζυμο αυτό δεν είναι πλέον απαραίτητο να απομονωθεί το ίδιο το τμήμα του DNA που ενδιαφέρει· αρκεί το mRNA, που προκύπτει από τη μεταγραφή αυτού του τμήματος και που εύκολα μπορεί να απομονωθεί από το κυτταρόπλασμα των κυττάρων που παράγουν τη συγκεκριμένη πρωτεΐνη. Από το mRNA, με μια διαδικασία που ονομάστηκε αντίστροφη μεταγραφή και που γίνεται με τη βοήθεια του ενζύμου αντίστροφη μεταγραφάση, συντίθεται το DNA που ενδιαφέρει.
Με τη μέθοδο του ανασυνδυασμένου DNA παράγεται, για παράδειγμα, η ινσουλίνη.
🐑 Ντόλυ
Τα ζώα που διαθέτουν σπονδυλική στήλη ονομάζονται σπονδυλόζωα και αναπαράγονται με αμφιγονία. Οι προσπάθειες που γίνονταν μέχρι τελευταία για την αναπαραγωγή των ζώων αυτών με μονογονία, δηλαδή με έναν τρόπο που δεν είναι γι' αυτά φυσικός, απέτυχαν. Η κυριότερη αιτία της αποτυχίας ήταν η διαφοροποίηση που εμφανίζουν τα σωματικά κύτταρα.
Τα σωματικά κύτταρα ενός σπονδυλόζωου είναι διπλοειδή και φέρουν στα χρωμοσώματά τους όλα τα χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου οργανισμού. Όμως από το σύνολο των γονιδίων που υπάρχουν σε κάθε είδος σωματικών κυττάρων εκφράζονται μόνο ορισμένα. Έτσι το είδος των κυττάρων αυτών αποκτά ιδιαίτερα μορφολογικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά και τελικά εξειδικεύεται στην εκτέλεση ορισμένων μόνο λειτουργιών από το σύνολο των λειτουργιών που γίνονται στον οργανισμό. Για παράδειγμα, τα μυϊκά κύτταρα συγκροτούν τους μυς που εξειδικεύονται στην κίνηση του σώματος. Τα ερυθρά αιμοσφαίρια μεταφέρουν και . Τα νευρικά κύτταρα μεταφέρουν ερεθίσματα κ.ο.κ.
Την κατάσταση αυτή μπορούμε να την παρομοιάσουμε με ένα εργοστάσιο σε λειτουργία, στο οποίο οι διάφοροι κλάδοι τεχνιτών, που αντιστοιχούν στα διάφορα είδη κυττάρων, ενώ διαθέτουν το βιβλίο με όλες τις οδηγίες για τη λειτουργία του εργοστασίου (δηλαδή το σύνολο των γονιδίων), διαβάζουν και εκτελούν μόνο τις οδηγίες που τους αφορούν. Έχουμε δηλαδή εκλεκτική έκφραση του γενετικού υλικού. Οι μηχανισμοί που προκαλούν τη διαφοροποίηση παραμένουν άγνωστοι.
Εάν πάρουμε από τον πυρήνα ενός σωματικού κυττάρου το γενετικό υλικό και το αφήσουμε να εκφραστεί, θα παραχθούν μόνο οι πρωτεΐνες που υπάρχουν στο κύτταρο αυτό και όχι το σύνολο των πρωτεϊνών του οργανισμού. Αυτό οφείλεται στη διαφοροποίηση. Από τον πολλαπλασιασμό ενός κυττάρου παράγονται μόνο όμοιά του κύτταρα. Εάν πάρουμε, για παράδειγμα, κύτταρα δέρματος και τα αφήσουμε να πολλαπλασιαστούν, θα παραγάγουν μόνο όμοια κύτταρα (δέρματος) και όχι τα υπόλοιπα κύτταρα του οργανισμού.
Επιστήμονες στη Σκωτία κατάφεραν το ακατόρθωτο. Πήραν σωματικά κύτταρα από ένα πρόβατο, και συγκεκριμένα από τον μαστό του, και τα αποδιαφοροποίησαν, με αποτέλεσμα να εκφράζονται όλα τα γονίδια του γενετικού υλικού του πυρήνα. Στη συνέχεια αφαίρεσαν τον πυρήνα από ένα τέτοιο κύτταρο και τον τοποθέτησαν στο ωάριο ενός άλλου προβάτου. Το ωάριο αυτό με τον αποδιαφοροποιημένο πυρήνα πολλαπλασιάστηκε στη μήτρα ενός τρίτου προβάτου, που γέννησε τελικά την Ντόλυ.
Με τη δημιουργία της Ντόλυ οι επιστήμονες είχαν καταφέρει να αναπαραγάγουν ένα σπονδυλόζωο με μονογονία. Το νέο αυτό ζώο φέρει όλα τα χαρακτηριστικά του μητρικού προβάτου, αυτού δηλαδή από το οποίο πήραν το κύτταρο του μαστού. Αποτελεί επομένως κλώνο του. Το μητρικό πρόβατο είχε αποκτήσει, με τη βοήθεια της Γενετικής Μηχανικής, την ιδιότητα να παράγει γάλα με ινσουλίνη. Η ιδιότητα αυτή πέρασε φυσικά και στην κόρη της, την Ντόλυ.
Η διαδικασία αυτή δεν είναι καινούρια για τη φύση· ακολουθείται κατά τον πολλαπλασιασμό ορισμένων ιών με γενετικό υλικό RNA.
Πρωτοπόροι στη «σύνθεση» γονιδίων με την τεχνική αυτή υπήρξαν οι Έλληνες ερευνητές του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ Φώτης Καφάτος, Αργύρης Ευστρατιάδης κ.ά., οι οποίοι πέτυχαν τη σύνθεση του γονιδίου που ελέγχει την παραγωγή της αιμοσφαιρίνης του κουνελιού.
🌍 Εφαρμογές και προοπτικές
Σήμερα με τη μέθοδο αυτή παράγονται εμβόλια, αντιβιοτικά, ένζυμα απαραίτητα για την έρευνα ή την τεχνολογία αλλά και για την αντιμετώπιση προβλημάτων σε διάφορους τομείς της καθημερινής ζωής.
Η εξέλιξη της τεχνολογίας εξάλλου επέτρεψε τη δημιουργία αυτόματων μηχανημάτων, που κάνουν την ανάλυση της αλληλουχίας των βάσεων ενός τμήματος DNA. Είναι γνωστό ότι βρίσκεται σε εξέλιξη πρόγραμμα για τη χαρτογράφηση όλων των γονιδίων του ανθρώπου. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι, ανάμεσα στα άλλα, σύντομα θα είναι δυνατή η αντικατάσταση μεταλλαγμένων γονιδίων, που προκαλούν ασθένειες στον άνθρωπο, με άλλα φυσιολογικά.
Το «κουτί της Πανδώρας» έχει ανοίξει και όλοι ελπίζουν ότι στο τέλος θα ξεπροβάλει απ' αυτό η τεχνολογία, που θα βοηθήσει στη βελτίωση της ποιότητας ζωής του ανθρώπου.