Η δημιουργία διαγονιδιακών οργανισμών ανοίγει νέους δρόμους στην αύξηση της φυτικής και ζωικής παραγωγής 🧬
🦠 Το Agrobacterium μπορεί να μεταφέρει γονίδια στα φυτά
Το βακτήριο Agrobacterium tumefaciens, που ζει στο έδαφος, διαθέτει τη φυσική ικανότητα να μολύνει φυτικά κύτταρα μεταφέροντας σ' αυτά ένα πλασμίδιο που ονομάζεται Ti (Ti = tumor inducing factor).
Το πλασμίδιο Ti ενσωματώνεται στο γενετικό υλικό των φυτικών κυττάρων και δημιουργεί εξογκώματα (όγκους) στο σώμα των φυτών.
Οι ερευνητές, αφού απομόνωσαν το πλασμίδιο από το βακτήριο, κατόρθωσαν να απενεργοποιήσουν τα γονίδια που δημιουργούν τους όγκους, τοποθετώντας στο πλασμίδιο το γονίδιο που θα προσδώσει στο φυτό μία επιθυμητή ιδιότητα.
Το ανασυνδυασμένο πλασμίδιο εισάγεται σε φυτικά κύτταρα που αναπτύσσονται σε ειδικές καλλιέργειες στο εργαστήριο. Τα τροποποιημένα φυτικά κύτταρα δίνουν τελικά ένα νέο φυτικό οργανισμό που περιέχει και εκφράζει το ξένο γονίδιο. Τα διαγονιδιακά φυτά έχουν την ικανότητα να μεταβιβάζουν τις νέες ιδιότητες στους απογόνους τους.
Τον τρόπο χρήσης του πλασμιδίου Ti, που απομονώνεται από το Agrobacterium tumefaciens, ως φορέα για την εισαγωγή γονιδίων στα φυτά.
🐛 Καταπολέμηση παρασίτων και εντόμων
Οι προσπάθειες των ερευνητών επικεντρώνονται στη δημιουργία γενετικά τροποποιημένων φυτών που θα δίνουν τη δυνατότητα στους αγρότες:
- Να προφυλάσσουν αποτελεσματικά τις καλλιέργειες από τα έντομα και τα ζιζάνια.
- Να παράγουν προϊόντα με μεγαλύτερη «διάρκεια ζωής» από το χωράφι έως τον καταναλωτή.
Τα κυριότερα φυτά που έχουν τροποποιηθεί είναι η σόγια, το καλαμπόκι (για τροφή των ζώων), το βαμβάκι, ο καπνός και η ελαιοκράμβη.
Μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο χρησιμοποιήθηκαν πολλά εντομοκτόνα. Με την πάροδο των χρόνων έγινε κατανοητό ότι ήταν επικίνδυνα για την υγεία του ανθρώπου και προκαλούσαν μεγάλη οικολογική καταστροφή. Ήταν λοιπόν αναγκαίο να βρεθούν εναλλακτικοί τρόποι.
Bacillus thuringiensis — μια ισχυρή τοξίνη
Το βακτήριο Bacillus thuringiensis, που ζει στο έδαφος, παράγει μια ισχυρή τοξίνη που μπορεί να καταστρέψει πολλά είδη εντόμων και σκωλήκων και είναι 80.000 φορές πιο ισχυρή από πολλά εντομοκτόνα.
Τα βακτήρια αυτά πολλαπλασιάζονται στο εργαστήριο και ψεκάζονται στον αγρό. Όμως η τεχνική είναι δαπανηρή, επειδή τα βακτήρια δεν επιβιώνουν για μεγάλο διάστημα και χρειάζονται συνεχείς ψεκασμοί.
Ψεκασμό με βακτήρια Bacillus thuringiensis για την καταπολέμηση εντόμων.
Για το λόγο αυτό απομονώθηκε το γονίδιο του βακτηρίου που παράγει την τοξίνη και μεταφέρθηκε στα φυτά με τη βοήθεια του πλασμιδίου Ti του Agrobacterium tumefaciens. Τα γενετικά τροποποιημένα φυτά είναι έτσι ανθεκτικά στα έντομα.
Το πρώτο φυτό στο οποίο ενσωματώθηκε το γονίδιο της ανθεκτικότητας στα έντομα του Bacillus thuringiensis ήταν το καλαμπόκι. Τα γενετικά τροποποιημένα φυτά αυτού του τύπου αποτελούν τις ποικιλίες Bt.
Φυσιολογικό (αριστερά) και γενετικά τροποποιημένο φυτό (δεξιά) που παράγει τοξίνη η οποία σκοτώνει κάμπιες εντόμων: όταν τα δύο φυτά εκτέθηκαν σε κάμπιες, το φυσιολογικό φαγώθηκε ενώ το γενετικά τροποποιημένο δεν έδειξε σημάδια καταστροφής.
Ιδιότητες: α. τοξίνη που σκοτώνει τα έντομα · β. αντοχή στα ζιζανιοκτόνα · γ. αντοχή σε αντιβιοτικά · δ. αντοχή σε ιούς · ε. διαφοροποίηση · στ. αντίσταση στους μύκητες · ζ. παραγωγή φαρμακευτικών πρωτεϊνών · η. αντοχή σε βακτήρια · θ. αντοχή στον παγετό · ι. καθυστέρηση ωρίμανσης · ια. ταχύτερη ανάπτυξη · ιβ. γονίδια για ασθένειες · ιγ. αντοχή στις χαμηλές θερμοκρασίες
| Οργανισμός | Ιδιότητα |
|---|---|
| Μηλιά | α |
| Λάχανο | β |
| Βαμβάκι | α, β |
| Αγγούρι | δ |
| Κουνουπίδι | δ |
| Καλαμπόκι | α, β, δ, ε, στ |
| Ελαιοκράμβη | α, β, γ, ζ |
| Πατάτα | β, δ, ε, ζ, η |
| Ρύζι | α, γ, ε |
| Σόγια | β, ε |
| Φράουλα | β, θ |
| Σακχαρότευτλο | β, δ, ε |
| Καπνός | α, β, γ, δ, ε, στ, θ |
| Τομάτα | α, β, δ, ε, στ, θ, ι |
| Αγελάδα | ζ, ια |
| Αίγα | ζ |
| Γουρούνι | ζ, ια, ιβ |
| Σολομός | ια, ιγ |
| Πρόβατο | ζ |
| Πέστροφα | ια |
Το 1998 η καλλιέργεια γενετικά τροποποιημένων φυτών έφτανε τα στρέμματα. Το 74% αφορούσε καλλιέργειες στις ΗΠΑ και το 13% στην Αργεντινή.
🐄 Τροποποίηση του γενετικού υλικού των ζώων
Διαγονιδιακά ονομάζονται τα ζώα στα οποία έχει τροποποιηθεί το γενετικό υλικό τους με την προσθήκη γονιδίων, συνήθως από κάποιο άλλο είδος.
Η σημαντικότερη μέθοδος για την είσοδο του «ξένου» DNA στα κύτταρα ενός ζώου είναι η μικροέγχυση:
- Χρησιμοποιούνται ωάρια του ζώου γονιμοποιημένα στο εργαστήριο.
- Γίνεται εισαγωγή του ξένου DNA με ειδική μικροβελόνα.
- Το ξένο γενετικό υλικό ενσωματώνεται συνήθως σε κάποιο από τα χρωμοσώματα του πυρήνα του ζυγωτού.
- Το ζυγωτό τοποθετείται στη μήτρα της «θετής» μητέρας, ενός ζώου στο οποίο θα αναπτυχθεί το έμβρυο.
Η μικροέγχυση αποτελεί τη μοναδική μέθοδο δημιουργίας διαγονιδιακών αγελάδων, προβάτων, χοίρων και αιγών.
🥛 Φαρμακευτικές πρωτεΐνες στο γάλα διαγονιδιακών ζώων
Είναι δυνατή η παραγωγή πρωτεϊνών (π.χ. ινσουλίνη, αυξητική ορμόνη) από βακτήρια. Στις περισσότερες όμως περιπτώσεις οι πρωτεΐνες αυτές δεν είναι ακριβώς ίδιες με τις πρωτεΐνες του ανθρώπου, επειδή τα βακτήρια δεν διαθέτουν τους μηχανισμούς τροποποίησης των πρωτεϊνών που διαθέτουν οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί.
Μια πολλά υποσχόμενη ιδέα είναι η παραγωγή πρωτεϊνών από κύτταρα των μαστικών αδένων των ζώων (π.χ. προβάτων, αγελάδων), ώστε να συλλέγεται η πρωτεΐνη από το γάλα. Αυτός ο τρόπος ονομάζεται gene pharming (παραγωγή φαρμακευτικών πρωτεϊνών από διαγονιδιακά ζώα).
Η πιο επιτυχημένη εφαρμογή αφορά την παραγωγή της ανθρώπινης α₁-αντιθρυψίνης (ΑΑΤ = alpha antitrypsin) από πρόβατα. Η πρωτεΐνη παράγεται στο ήπαρ του ανθρώπου και η απουσία της (αποτέλεσμα μετάλλαξης) οδηγεί σε εμφύσημα. Απομονώθηκε το φυσιολογικό γονίδιο της ΑΑΤ και με μικροέγχυση τοποθετήθηκε σε γονιμοποιημένο ωάριο προβάτου. Το πρόβατο που γεννήθηκε ήταν η Tracy, της οποίας οι απόγονοι συνεχίζουν να παράγουν την ΑΑΤ.
Τα στάδια παραγωγής φαρμακευτικών πρωτεϊνών στο γάλα διαγονιδιακών ζώων.
Εκτός από την ΑΑΤ, παράγεται και ο παράγοντας IX, μια πρωτεΐνη που συμμετέχει στον μηχανισμό πήξης του αίματος και χορηγείται σε άτομα που πάσχουν από αιμορροφιλία Β.
| Πρωτεΐνη | Ασθένεια |
|---|---|
| Ινσουλίνη | Σακχαρώδης διαβήτης |
| Παράγοντες VIII και IX | Αιμορροφιλία Α και Β |
| Ενεργοποιητής πλασμινογόνου (tPA) | θρόμβωση αγγείων, Έμφραγμα |
| Ιντερφερόνες | Καρκίνος |
| Διαμεμβρανικός ρυθμιστής | Κυστική ίνωση |
| α₁-αντιθρυψίνη (ΑΑΤ) | Πνευμονικό εμφύσημα |
| Παράγοντας CD4 | AIDS |
| Αυξητική ορμόνη | Αχονδροπλασία |
🔬 Βήματα παραγωγής φαρμακευτικής πρωτεΐνης ανθρώπινης προέλευσης από διαγονιδιακό ζώο
- Απομόνωση του ανθρώπινου γονιδίου που κωδικοποιεί τη φαρμακευτική πρωτεΐνη.
- Μικροέγχυση του γονιδίου στον πυρήνα ενός γονιμοποιημένου ωαρίου του ζώου.
- Τοποθέτηση του γενετικά τροποποιημένου ζυγωτού στη μήτρα ενήλικου ζώου για κυοφορία.
- Γέννηση του διαγονιδιακού ζώου.
- Διασταυρώσεις ώστε να περάσει η τροποποιημένη γενετική πληροφορία στους απογόνους.
- Παραγωγή, απομόνωση και καθαρισμός της φαρμακευτικής πρωτεΐνης.
- Επιλογή και προσθήκη μόνο επιθυμητών ιδιοτήτων με ταυτόχρονη διατήρηση των παλαιών επιθυμητών χαρακτηριστικών.
- Ταχύτατη παραγωγή βελτιωμένων φυτών και ζώων σε σχέση με παραδοσιακές τεχνικές.
Πρόσφατα στον Καναδά ερευνητές εισήγαγαν στα κύτταρα σολομού ρυθμιστικό γονίδιο από ένα είδος βακαλάου, το οποίο ενεργοποιεί το γονίδιο της αυξητικής ορμόνης του σολομού. Σε πειραματικές ιχθυοκαλλιέργειες στη Σκωτία, οι σολομοί αυτοί αναπτύσσονται δέκα φορές ταχύτερα και φτάνουν το τριακονταπλάσιο βάρος.
Έχει αναφερθεί παραγωγή 35 γραμμαρίων α₁-αντιθρυψίνης του ανθρώπου από ένα λίτρο γάλακτος διαγονιδιακού προβάτου. Αν συνυπολογιστεί ότι ένα πρόβατο παράγει μέχρι 800 λίτρα γάλα τον χρόνο, η παραγωγή φαρμακευτικών πρωτεϊνών από διαγονιδιακά ζώα είναι το περισσότερο υποσχόμενο επίτευγμα της σύγχρονης Βιοτεχνολογίας.
🐑 Και ξαφνικά όλοι μιλάνε για κλωνοποίηση...
Το 1997 οι ερευνητές του Ινστιτούτου Roslin της Σκωτίας ανακοίνωσαν ότι κλωνοποίησαν ένα πρόβατο. Το πρόβατο Dolly δημιουργήθηκε όταν ο πυρήνας ενός κυττάρου του μαστικού αδένα ενός εξάχρονου πρόβατου τοποθετήθηκε στο ωάριο ενός άλλου πρόβατου, από το οποίο είχε προηγουμένως αφαιρεθεί ο πυρήνας. Το έμβρυο που δημιουργήθηκε ύστερα από 3–4 διαιρέσεις εμφυτεύτηκε στη μήτρα θετής μητέρας-προβατίνας, η οποία γέννησε τη Dolly.
Η δημιουργία της Dolly δεν προξένησε έκπληξη στους βιολόγους όσο στον υπόλοιπο κόσμο, επειδή είχε προηγηθεί κλωνοποίηση αμφιβίων από την αρχή της δεκαετίας του 1960. Παρόμοια τεχνική χρησιμοποιήθηκε και για την κλωνοποίηση θηλαστικών.
Η κλωνοποίηση είναι πολύ χρήσιμη στον πολλαπλασιασμό διαγονιδιακών ζώων: η δημιουργία ενός διαγονιδιακού ζώου που παράγει τον ανθρώπινο παράγοντα πήξης του αίματος κοστίζει 1–2 εκατομμύρια ευρώ· με κλωνοποίηση μπορούν εύκολα να παραχθούν πολλά πανομοιότυπα ζώα και μεγαλύτερες ποσότητες φαρμάκου.
Η κλωνοποίηση μπορεί επίσης να συνεισφέρει στην προστασία από την εξαφάνιση διάφορων ζώων: πυρήνες από κατεψυγμένα κύτταρα ζώων που κινδυνεύουν μπορούν να μεταφερθούν σε απύρηνα ωοκύτταρα του είδους και να κυοφορηθούν στο ίδιο ή σε συγγενικό είδος ζώου.