Die Grundlagen der genetischen Modifikation
GVO ist die Abkürzung für "gentechnisch veränderter Organismus". Genetische Veränderungen gibt es seit Jahrzehnten und ist der effektivste und schnellste Weg, um eine Pflanze oder ein Tier mit einem bestimmten Merkmal oder Merkmal zu schaffen. Es ermöglicht präzise spezifische Veränderungen der DNA-Sequenz. Da DNA im Wesentlichen den Bauplan für den gesamten Organismus umfasst, verändern Veränderungen an der DNA die Funktionen, zu denen der Organismus fähig ist.
Es gibt wirklich keinen anderen Weg, dies zu tun, als mit den Techniken, die in den letzten 40 Jahren entwickelt wurden, die DNA direkt zu manipulieren.
Wie veränderst du einen Organismus genetisch? Eigentlich ist das eine ziemlich breite Frage. Ein Organismus kann eine Pflanze, ein Tier, ein Pilz oder ein Bakterium sein, und all dies kann und wird seit fast 40 Jahren gentechnisch verändert. Die ersten gentechnisch veränderten Organismen waren Bakterien in den frühen 1970er Jahren . Seitdem sind gentechnisch veränderte Bakterien zum Arbeitspferd von Hunderttausenden von Laboren geworden, die genetische Veränderungen an Pflanzen und Tieren vornehmen. Die meisten grundlegenden Gen-Shufflings und Modifikationen werden unter Verwendung von Bakterien entworfen und hergestellt, hauptsächlich einer Variation von E. coli , und dann auf Zielorganismen übertragen.
Der generelle Ansatz, Pflanzen, Tiere oder Mikroben genetisch zu verändern, ist konzeptionell ziemlich ähnlich. Es gibt jedoch einige Unterschiede in den spezifischen Techniken aufgrund von allgemeinen Unterschieden zwischen Pflanzen- und Tierzellen.
Zum Beispiel haben Pflanzenzellen Zellwände und Tierzellen nicht.
Gründe für genetische Veränderungen von Pflanzen und Tieren
Gentechnisch veränderte Tiere werden hauptsächlich für Forschungszwecke hergestellt, oft als biologische Modellsysteme, die für die Arzneimittelentwicklung verwendet werden. Es wurden einige genetisch veränderte Tiere für andere kommerzielle Zwecke entwickelt, wie zum Beispiel fluoreszierende Fische als Haustiere, und gentechnisch veränderte Moskitos zur Bekämpfung krankheitsübertragender Moskitos.
Diese sind jedoch außerhalb der biologischen Grundlagenforschung relativ begrenzt anwendbar. Bisher wurden keine gentechnisch veränderten Tiere als Nahrungsquelle zugelassen. Dies kann sich jedoch bald mit dem AquaAdvantage Salmon ändern, der seinen Weg durch den Zulassungsprozess beschreitet.
Bei Pflanzen ist die Situation jedoch anders. Während viele Pflanzen für die Forschung modifiziert werden, besteht das Ziel der meisten gentechnisch veränderten Pflanzen darin, einen Pflanzenstamm zu schaffen, der kommerziell oder sozial vorteilhaft ist. Zum Beispiel können die Erträge erhöht werden, wenn Pflanzen mit einer verbesserten Resistenz gegen einen krankheitserregenden Schädling wie die Rainbow Papaya oder die Fähigkeit, in einer unwirtlichen, vielleicht kälteren Region zu wachsen, gentechnisch verändert werden. Früchte, die länger reifen, wie Endless Summer Tomatoes, bieten mehr Zeit für die Haltbarkeit nach der Ernte. Auch Eigenschaften, die den Nährwert erhöhen, wie Goldener Reis, der reich an Vitamin A ist, oder die Nützlichkeit der Früchte, wie nicht-braune Arktis-Äpfel, wurden ebenfalls hergestellt.
Im Wesentlichen kann jedes Merkmal eingeführt werden, das durch die Hinzufügung oder Hemmung eines spezifischen Gens manifest werden kann. Merkmale, die mehrere Gene erfordern, könnten ebenfalls verwaltet werden, aber dies erfordert einen komplizierteren Prozess, der bei kommerziellen Pflanzen noch nicht erreicht wurde.
Was ist ein Gen?
Bevor erklärt wird, wie neue Gene in Organismen eingebracht werden, ist es wichtig zu verstehen, was ein Gen ist. Wie viele wahrscheinlich wissen, werden Gene aus DNA hergestellt, die teilweise aus vier Basen besteht, die üblicherweise einfach als A, T, C, G bezeichnet werden. Die lineare Reihenfolge dieser Basen in einer Reihe entlang eines DNA-Strangs eines Gens kann als ein Code für ein spezifisches Protein angesehen werden, genau wie Buchstaben in einer Textzeile für einen Satz kodieren.
Proteine sind große biologische Moleküle aus Aminosäuren, die in verschiedenen Kombinationen miteinander verknüpft sind. Wenn die richtige Kombination von Aminosäuren miteinander verknüpft ist, faltet sich die Aminosäurekette zu einem Protein mit einer spezifischen Form und den richtigen chemischen Eigenschaften zusammen, um es in die Lage zu versetzen, eine bestimmte Funktion oder Reaktion durchzuführen. Lebewesen bestehen größtenteils aus Proteinen. Einige Proteine sind Enzyme, die chemische Reaktionen katalysieren; andere transportieren Material in die Zellen und einige fungieren als Schalter, die andere Proteine oder Proteinkaskaden aktivieren oder deaktivieren.
Wenn also ein neues Gen eingeführt wird, gibt es der Zelle die Code-Sequenz, um es zu einem neuen Protein zu machen.
Wie organisieren Zellen ihre Gene?
In Pflanzen und tierischen Zellen ist fast die gesamte DNA in mehreren langen, zu Chromosomen gewickelten Strängen angeordnet. Die Gene sind eigentlich nur kleine Abschnitte der langen DNA-Sequenz, die ein Chromosom bilden. Jedes Mal, wenn sich eine Zelle repliziert, werden alle Chromosomen zuerst repliziert. Dies ist der zentrale Satz von Anweisungen für die Zelle, und jede Nachkommenzelle erhält eine Kopie. Um ein neues Gen einzuführen, das es der Zelle ermöglicht, ein neues Protein herzustellen, das ein bestimmtes Merkmal verleiht, muss man einfach ein bisschen DNA in einen der langen Chromosomenstränge einbringen. Einmal eingefügt, wird die DNA an alle Tochterzellen weitergegeben, wenn sie sich wie alle anderen Gene replizieren.
Tatsächlich können bestimmte Arten von DNA in Zellen getrennt von den Chromosomen gehalten werden, und Gene können unter Verwendung dieser Strukturen eingeführt werden, so dass sie nicht in die chromosomale DNA integriert werden. Da jedoch die chromosomale DNA der Zelle verändert ist, wird sie bei diesem Ansatz üblicherweise nicht in allen Zellen nach mehreren Replikationen beibehalten. Für eine dauerhafte und vererbbare genetische Veränderung, wie jene Prozesse, die für das Pflanzenbauwesen verwendet werden, werden chromosomale Modifikationen verwendet.
Wie wird ein neues Gen eingefügt?
Gentechnik bezieht sich einfach auf das Einfügen einer neuen DNA-Basensequenz (die normalerweise einem ganzen Gen entspricht) in die chromosomale DNA des Organismus. Das mag konzeptionell einfach erscheinen, aber technisch wird es etwas komplizierter. Es gibt viele technische Details, um die richtige DNA-Sequenz mit den richtigen Signalen in das Chromosom im richtigen Kontext zu bringen, die es den Zellen ermöglicht, ein Gen zu erkennen und daraus ein neues Protein zu machen.
Es gibt vier Schlüsselelemente, die fast allen gentechnischen Verfahren gemeinsam sind:
- Zuerst brauchst du ein Gen. Dies bedeutet, dass Sie das physikalische DNA-Molekül mit den jeweiligen Basensequenzen benötigen. Traditionell wurden diese Sequenzen direkt aus einem Organismus unter Verwendung einer von mehreren arbeitsintensiven Techniken erhalten. Heutzutage synthetisieren Wissenschaftler, anstatt DNA aus einem Organismus zu extrahieren, typischerweise nur aus den grundlegenden A, T, C, G-Chemikalien. Einmal erhalten, kann die Sequenz in ein Stück bakterieller DNA eingefügt werden, die wie ein kleines Chromosom (ein Plasmid) ist, und da Bakterien schnell replizieren, kann so viel von dem Gen wie benötigt hergestellt werden.
- Sobald Sie das Gen haben, müssen Sie es in einen DNA-Strang legen, der mit der richtigen umgebenden DNA-Sequenz umgeben ist, damit die Zelle es erkennen und ausdrücken kann. Im Prinzip bedeutet das, dass Sie eine kleine DNA-Sequenz benötigen, die als Promotor bezeichnet wird und die Zelle anweist, das Gen zu exprimieren.
- Zusätzlich zu dem Hauptgen, das eingefügt werden soll, wird oft ein zweites Gen benötigt, um einen Marker oder eine Selektion bereitzustellen. Dieses zweite Gen ist im Wesentlichen ein Werkzeug, um die Zellen zu identifizieren, die das Gen enthalten.
- Schließlich ist es notwendig, eine Methode zu haben, die neue DNA (dh Promotor, neues Gen und Selektionsmarker) in die Zellen des Organismus zu liefern. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, dies zu tun. Für Pflanzen ist mein Favorit der Gen-Gun-Ansatz, der mit einem modifizierten 22-Gewehr DNA-beschichtete Wolfram- oder Goldpartikel in Zellen abschießt.
Bei Tierzellen gibt es eine Reihe von Transfektionsreagenzien, die die DNA beschichten oder komplexieren und es ermöglichen, die Zellmembranen zu passieren. Es ist auch üblich, dass die DNA zusammen mit modifizierter viraler DNA gespleißt wird, die als ein Genvektor verwendet werden kann, um das Gen in die Zellen zu tragen. Die modifizierte virale DNA kann mit normalen viralen Proteinen eingekapselt werden, um ein Pseudovirus herzustellen, das Zellen infizieren und die das Gen tragende DNA einfügen kann, aber nicht replizieren kann, um ein neues Virus zu bilden.
Bei vielen dikotylen Pflanzen kann das Gen in eine modifizierte Variante des T-DNA-Trägers der Agrobacterium tumefaciens-Bakterien eingebracht werden. Es gibt ein paar andere Ansätze. Bei den meisten Zellen nimmt jedoch nur eine kleine Anzahl von Zellen das Gen auf, was die Selektion der gentechnisch veränderten Zellen zu einem kritischen Teil dieses Prozesses macht. Aus diesem Grund ist typischerweise ein Selektions- oder Markergen notwendig.
Aber, wie machst du eine gentechnisch hergestellte Maus oder Tomate?
Ein GVO ist ein Organismus mit Millionen von Zellen und die oben beschriebene Technik beschreibt nur wirklich, wie man einzelne Zellen genetisch manipuliert. Der Prozess zur Erzeugung eines ganzen Organismus beinhaltet jedoch im Wesentlichen die Verwendung dieser gentechnischen Techniken an Keimzellen (dh Spermien und Eizellen). Sobald das Schlüsselgen eingefügt ist, verwendet der Rest des Prozesses grundsätzlich genetische Züchtungstechniken, um Pflanzen oder Tiere zu erzeugen, die das neue Gen in allen Zellen in ihrem Körper enthalten. Gentechnik wird wirklich nur für Zellen gemacht. Die Biologie macht den Rest.