Inhalt
- Genetische Veränderung: Definition
- Was genetische Veränderung nicht ist
- Arten der genetischen Veränderung
- Gene Cloning
- Beispiele für genetische Modifikationen
EIN GenVon einem grundlegenden biochemischen Standpunkt aus gesehen, ist es ein Abschnitt der Desoxyribonukleinsäure (DNA) in jeder Zelle eines Organismus, der den genetischen Code für die Zusammenstellung eines bestimmten Proteinprodukts trägt. Auf einer funktionaleren und dynamischeren Ebene bestimmen Gene, was Organismen - Tiere, Pflanzen, Pilze und sogar Bakterien - sind und wohin sie sich entwickeln sollen.
Während das Verhalten von Genen von Umweltfaktoren (z. B. Ernährung) und sogar von anderen Genen beeinflusst wird, bestimmt die Zusammensetzung Ihres genetischen Materials in überwiegender Weise fast alles über Sie, sichtbar und unsichtbar, von der Größe Ihres Körpers bis zu Ihrer Reaktion auf mikrobielle Eindringlinge , Allergene und andere äußere Einwirkungen.
Die Fähigkeit, Gene auf spezifische Weise zu verändern, zu modifizieren oder zu manipulieren, würde daher die Möglichkeit einführen, exquisit maßgeschneiderte Organismen - einschließlich des Menschen - unter Verwendung bestimmter Kombinationen von DNA zu erzeugen, von denen bekannt ist, dass sie bestimmte Gene enthalten.
Der Prozess der Veränderung eines Organismus Genotyp (grob gesagt, die Summe seiner einzelnen Gene) und daher sein genetisches "Blau" ist bekannt als genetische Veränderung. Auch genannt GentechnikDiese Art des biochemischen Manövrierens hat sich in den letzten Jahrzehnten vom Bereich der Science-Fiction in die Realität verlagert.
Die damit verbundenen Entwicklungen haben sowohl Aufregung über die Aussicht auf eine Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Lebensqualität als auch eine Vielzahl heikler und unausweichlicher ethischer Fragen an verschiedenen Fronten ausgelöst.
Genetische Veränderung: Definition
Genetische Veränderung ist ein Vorgang, bei dem Gene manipuliert, verändert, gelöscht oder angepasst werden, um eine bestimmte Eigenschaft eines Organismus zu verstärken, zu verändern oder anzupassen. Es ist die Manipulation von Merkmalen auf der absoluten Wurzel- oder Zellebene.
Berücksichtigen Sie den Unterschied zwischen dem routinemäßigen Stylen Ihrer Haare und der Möglichkeit, die Farbe, Länge und allgemeine Anordnung Ihrer Haare (z. B. gerade oder lockig) ohne Verwendung von Haarpflegeprodukten zu steuern Sie erfahren, wie Sie das gewünschte kosmetische Ergebnis erzielen und sicherstellen können und worum es bei der genetischen Veränderung geht.
Da alle lebenden Organismen DNA enthalten, können alle Organismen gentechnisch verändert werden, von Bakterien über Pflanzen bis hin zu Menschen.
Während Sie dies lesen, eröffnen sich auf dem Gebiet der Gentechnik neue Möglichkeiten und Praktiken in den Bereichen Landwirtschaft, Medizin, Produktion und anderen Bereichen.
Was genetische Veränderung nicht ist
Es ist wichtig, den Unterschied zwischen sich buchstäblich ändernden Genen und einem Verhalten zu verstehen, bei dem ein vorhandenes Gen ausgenutzt wird.
Viele Gene funktionieren nicht unabhängig von der Umgebung, in der der Elternorganismus lebt. Ernährungsgewohnheiten, verschiedene Arten von Stress (z. B. chronische Krankheiten, die möglicherweise eine eigene genetische Basis haben oder nicht) und andere Dinge, denen Organismen routinemäßig gegenüberstehen, können die Genexpression oder die Ebene, auf der Gene zur Herstellung der Proteinprodukte verwendet werden, beeinflussen für die sie codieren.
Wenn Sie aus einer Familie von Menschen stammen, die genetisch dazu neigen, größer und schwerer als der Durchschnitt zu sein, und eine sportliche Karriere in einer Sportart anstreben, die Stärke und Größe wie Basketball oder Hockey bevorzugt, können Sie Gewichte heben und eine robuste Menge essen von Lebensmitteln, um Ihre Chancen zu maximieren, so groß und stark wie möglich zu sein.
Dies unterscheidet sich jedoch von der Fähigkeit, neue Gene in Ihre DNA einzufügen, die praktisch ein vorhersehbares Niveau des Muskel- und Knochenwachstums gewährleisten, und letztendlich von einem Menschen mit allen typischen Merkmalen eines Sportstars.
Arten der genetischen Veränderung
Es gibt viele Arten gentechnischer Techniken, und nicht alle erfordern die Manipulation von genetischem Material mit hochentwickelten Laborgeräten.
In der Tat, jeder Prozess, der die aktive und systematische Manipulation eines Organismus beinhaltet gen Pooloder die Summe der Gene in jeder Population, die sich durch Züchtung (d. h. sexuell) vermehrt, gilt als Gentechnik. Natürlich sind einige dieser Verfahren auf dem neuesten Stand der Technik.
Künstliche Selektion: Eine künstliche Selektion, auch einfache Selektion oder selektive Züchtung genannt, ist die Auswahl von Elternorganismen mit einem bekannten Genotyp, um Nachkommen in Mengen zu produzieren, die nicht auftreten würden, wenn die Natur allein der Ingenieur wäre, oder zumindest nur über einen viel größeren Zeitraum.
Wenn Landwirte oder Hundezüchter auswählen, welche Pflanzen oder Tiere gezüchtet werden sollen, um Nachkommen mit bestimmten Eigenschaften zu gewährleisten, die Menschen aus irgendeinem Grund für wünschenswert halten, praktizieren sie eine alltägliche Form der genetischen Veränderung.
Induzierte Mutagenese: Dies ist die Verwendung von Röntgenstrahlen oder Chemikalien, um Mutationen (ungeplante, oft spontane Änderungen der DNA) in bestimmten Genen oder DNA-Sequenzen von Bakterien zu induzieren. Dies kann zur Entdeckung von Genvarianten führen, die eine bessere (oder erforderlichenfalls schlechtere) Leistung als das „normale“ Gen aufweisen. Dieser Prozess kann helfen, neue "Linien" von Organismen zu erzeugen.
Mutationen sind zwar oft schädlich, aber auch die fundamentale Quelle genetischer Variabilität im Leben auf der Erde. Infolgedessen erhöht die Induzierung in großer Zahl die Wahrscheinlichkeit einer nützlichen Mutation, die dann unter Verwendung zusätzlicher Techniken für menschliche Zwecke ausgenutzt werden kann, obwohl sicher ist, dass Populationen von weniger geeigneten Organismen erzeugt werden.
Virale oder Plasmidvektoren: Wissenschaftler können ein Gen in einen Phagen (ein Virus, das Bakterien oder ihre prokaryotischen Verwandten, die Archaea, infiziert) oder einen Plasmidvektor einführen und dann das modifizierte Plasmid oder den Phagen in andere Zellen einbringen, um das neue Gen in diese Zellen einzuführen.
Anwendungen dieser Verfahren umfassen die Erhöhung der Krankheitsresistenz, die Überwindung der Antibiotikaresistenz und die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Organismen gegen Umweltstressoren wie Temperaturextreme und Toxine.Alternativ kann die Verwendung solcher Vektoren ein vorhandenes Merkmal verstärken, anstatt ein neues zu erzeugen.
Mithilfe der Pflanzenzüchtungstechnologie kann eine Pflanze häufiger zum Blühen "angewiesen" werden, oder Bakterien können dazu veranlasst werden, ein Protein oder eine Chemikalie zu produzieren, die sie normalerweise nicht würden.
Retrovirale Vektoren: Hier werden Teile der DNA, die bestimmte Gene enthalten, in diese speziellen Arten von Viren eingebracht, die dann das genetische Material in die Zellen eines anderen Organismus transportieren. Dieses Material wird in das Wirtsgenom eingebaut, so dass sie zusammen mit dem Rest der DNA in diesem Organismus exprimiert werden können.
Im Klartext bedeutet dies, dass ein Strang der Wirts-DNA unter Verwendung spezieller Enzyme abgeschnitten wird, das neue Gen in die Lücke eingefügt wird, die durch das Abschneiden entsteht, und die DNA an beiden Enden des Gens an die Wirts-DNA gebunden wird.
"Knock in, knock out" Technologie: Wie der Name schon sagt, ermöglicht diese Art von Technologie die vollständige oder teilweise Deletion bestimmter DNA-Abschnitte oder bestimmter Gene ("Knock-out"). In ähnlicher Weise können die menschlichen Ingenieure, die hinter dieser Form der genetischen Veränderung stehen, entscheiden, wann und wie ein neuer DNA-Abschnitt oder ein neues Gen aktiviert ("eingeschlagen") werden soll.
Injektion von Genen in entstehende Organismen: Das Injizieren von Genen oder Vektoren, die Gene enthalten, in Eier (Eizellen) kann die neuen Gene in das Genom des sich entwickelnden Embryos einbauen, die daher im Organismus exprimiert werden, der schließlich entsteht.
Gene Cloning
Klonen von Genen ist ein Beispiel für die Verwendung von Plasmidvektoren. Plasmide, die kreisförmige DNA-Stücke sind, werden aus einer Bakterien- oder Hefezelle extrahiert. Restriktionsenzyme, bei denen es sich um Proteine handelt, die DNA an bestimmten Stellen entlang des Moleküls „abschneiden“, werden zum Abschneiden der DNA verwendet und bilden einen linearen Strang aus dem kreisförmigen Molekül. Dann wird die DNA für das gewünschte Gen in das Plasmid "eingefügt", das in andere Zellen eingeführt wird.
Schließlich beginnen diese Zellen, das dem Plasmid künstlich zugesetzte Gen zu lesen und zu kodieren.
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Das Klonen von Genen umfasst vier grundlegende Schritte. Im folgenden Beispiel ist es Ihr Ziel, eine Sorte von zu produzieren E coli Bakterien, die im Dunkeln leuchten. (Gewöhnlich besitzen diese Bakterien diese Eigenschaft natürlich nicht. Wenn sie dies tun, würden Orte wie die Abwassersysteme der Welt und viele ihrer natürlichen Wasserwege einen deutlich anderen Charakter annehmen als E coli sind im menschlichen Magen-Darm-Trakt weit verbreitet.)
1. Isolieren Sie die gewünschte DNA. Zuerst müssen Sie ein Gen finden oder erstellen, das für ein Protein mit der erforderlichen Eigenschaft kodiert - in diesem Fall im Dunkeln. Bestimmte Quallen produzieren solche Proteine, und das verantwortliche Gen wurde identifiziert. Dieses Gen heißt das Ziel-DNA. Gleichzeitig müssen Sie bestimmen, welches Plasmid Sie verwenden werden. Dies ist das Vektor-DNA.
2. Die DNA mit Restriktionsenzymen spalten. Diese vorgenannten Proteine werden auch genannt Restriktionsendonukleasen, sind in der Bakterienwelt reichlich vorhanden. In diesem Schritt verwenden Sie dieselbe Endonuklease, um sowohl die Ziel-DNA als auch die Vektor-DNA zu schneiden.
Einige dieser Enzyme schneiden direkt über beide Stränge des DNA-Moleküls, während sie in anderen Fällen einen "gestaffelten" Schnitt ausführen, wobei kleine Längen einzelsträngiger DNA freigelegt bleiben. Letztere heißen Klebrige Enden.
3. Kombinieren Sie die Ziel-DNA und die Vektor-DNA. Sie fügen nun die beiden DNA-Typen zusammen mit einem Enzym namens DNA-Ligase, die als aufwendige Art von Kleber fungiert. Dieses Enzym kehrt die Arbeit der Endonukleasen um, indem es die Enden der Moleküle miteinander verbindet. Das Ergebnis ist a Chimäreoder ein Strang von rekombinante DNA.
4. Führen Sie die rekombinante DNA in die Wirtszelle ein. Jetzt haben Sie das Gen, das Sie brauchen, und ein Mittel, um es dahin zu bringen, wo es hingehört. Dazu gibt es eine Reihe von Möglichkeiten Transformation, in denen sogenannte kompetente Zellen die neue DNA auffegen, und Elektroporation, bei dem ein Elektrizitätsimpuls verwendet wird, um die Zellmembran kurzzeitig aufzubrechen, damit das DNA-Molekül in die Zelle eindringen kann.
Beispiele für genetische Modifikationen
Künstliche Selektion: Hundezüchter können verschiedene Merkmale auswählen, insbesondere die Fellfarbe. Wenn ein bestimmter Züchter von Labrador-Retrievern einen Anstieg der Nachfrage nach einer bestimmten Farbe der Rasse feststellt, kann er oder sie systematisch nach der betreffenden Farbe züchten.
Gentherapie: Bei jemandem mit einem defekten Gen kann eine Kopie des Arbeitsgens in die Zellen dieser Person eingebracht werden, so dass das erforderliche Protein unter Verwendung von fremder DNA hergestellt werden kann.
Gentechnisch veränderte Pflanzen: Mit gentechnisch veränderten Anbaumethoden können gentechnisch veränderte (GV) Pflanzen wie herbizidresistente Pflanzen, Pflanzen, die im Vergleich zur konventionellen Züchtung mehr Früchte tragen, GV-Pflanzen, die resistent gegen Kälte sind, Pflanzen mit einem verbesserten Gesamternteertrag, Lebensmittel mit erzeugt werden ein höherer Nährwert und so weiter.
Im weiteren Sinne haben sich im 21. Jahrhundert gentechnisch veränderte Organismen (GVO) aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Lebensmittelsicherheit und der Geschäftsethik im Zusammenhang mit der genetischen Veränderung von Pflanzen zu einem Hot-Button-Thema auf dem europäischen und amerikanischen Markt entwickelt.
Gentechnisch veränderte Tiere: Ein Beispiel für gentechnisch veränderte Lebensmittel in der Tierwelt ist die Zucht von Hühnern, die größer und schneller werden, um mehr Brustfleisch zu produzieren. Solche Methoden der DNA-Rekombinationstechnologie geben Anlass zu ethischen Bedenken wegen der Schmerzen und Beschwerden, die sie bei den Tieren verursachen können.
Gen-Bearbeitung: Ein Beispiel für das Editieren von Genen oder das Editieren von Genomen ist CRISPR, oder gruppiert regelmäßig kurze palindromische Wiederholungen zwischen den Abständen. Dieser Prozess ist einer Methode entlehnt, mit der sich Bakterien gegen Viren verteidigen. Dabei werden verschiedene Teile des Zielgenoms gezielt genetisch verändert.
In CRISPR Führungs Ribonukleinsäure (gRNA), ein Molekül mit der gleichen Sequenz wie die Zielstelle im Genom, wird in der Wirtszelle mit einer Endonuklease namens Cas9 kombiniert. Die gRNA bindet an die Ziel-DNA-Stelle und zieht Cas9 mit sich. Diese Genombearbeitung kann zum "Ausschalten" eines schlechten Gens (wie einer Variante, die an der Entstehung von Krebs beteiligt ist) führen und in einigen Fällen das Ersetzen des schlechten Gens durch eine wünschenswerte Variante ermöglichen.