REKAYASA GENETIKA(sin. rekayasa genetika) - arah penelitian dalam biologi molekuler dan genetika, yang tujuan utamanya adalah untuk memperoleh, menggunakan teknik laboratorium, organisme dengan kombinasi sifat-sifat turun-temurun baru, termasuk yang tidak ditemukan di alam. Di jantung G. dan. kemungkinan manipulasi yang disengaja dengan fragmen asam nukleat karena pencapaian terbaru dari biologi molekuler dan genetika terletak. Pencapaian ini termasuk penetapan universalitas kode genetik (lihat), yaitu, fakta bahwa di semua organisme hidup penyertaan asam amino yang sama dalam molekul protein dikodekan oleh urutan nukleotida yang sama dalam rantai DNA; keberhasilan enzimologi genetik, yang memberi peneliti seperangkat enzim yang memungkinkan untuk memperoleh gen atau fragmen terpisah dari asam nukleat dalam bentuk yang terisolasi, untuk melakukan sintesis in vitro fragmen asam nukleat untuk - t, untuk menggabungkan potongan-potongan yang diperoleh menjadi satu kesatuan. Jadi, perubahan sifat turun-temurun suatu organisme melalui G. dan. direduksi menjadi konstruksi materi genetik baru dari berbagai fragmen, pengenalan materi ini ke dalam organisme penerima, penciptaan kondisi untuk fungsinya dan pewarisan yang stabil.
Salah satu cara untuk mendapatkan gen adalah kimia. perpaduan. Setelah Holly (A. Holli) di AS, A. A. Baev di Uni Soviet dan peneliti lain berhasil menguraikan struktur berbagai transportasi RBGK (tRNA), X. Koran et al., melakukan kimia. sintesis DNA pengkodean ragi roti alanin tRNA.
Tetapi metode sintesis gen buatan yang paling efektif dikaitkan dengan penggunaan enzim DNA polimerase yang bergantung pada RNA (reverse transcriptase) yang ditemukan oleh Baltimore (D. Baltimore) dan Temin (H. Temin) pada virus onkogenik (lihat). Enzim ini telah diisolasi dan dimurnikan dari sel yang terinfeksi virus onkogenik yang mengandung RNA tertentu, termasuk virus myeloblastosis burung, sarkoma Rous, dan leukemia tikus. Reverse transcriptase menyediakan sintesis DNA pada template messenger RNA (mRNA). Penggunaan molekul mRNA sebagai cetakan untuk sintesis DNA sangat memudahkan sintesis buatan gen struktural individu organisme yang lebih tinggi, karena urutan basa nitrogen dalam molekul mRNA adalah salinan yang tepat dari urutan basa nitrogen dari gen struktural yang sesuai, dan teknik untuk mengisolasi berbagai molekul mRNA cukup berkembang dengan baik. Kemajuan dalam mengisolasi mRNA protein globin, yang merupakan bagian dari hemoglobin manusia, hewan dan burung, mRNA protein lensa mata, mRNA imunoglobin, mRNA dari protein tumor ganas tertentu (mieloma), memungkinkan untuk mensintesis bagian struktural dari gen yang mengkode beberapa protein ini menggunakan reverse transcriptase.
Namun, gen struktural dalam tubuh berfungsi bersama dengan gen pengatur, urutan nukleotidanya tidak direproduksi oleh molekul mRNA. Oleh karena itu, tidak satu pun dari metode ini memungkinkan sintesis satu set gen struktural dan pengatur. Solusi untuk masalah ini menjadi mungkin setelah pengembangan metode untuk mengisolasi gen individu. Untuk mengisolasi gen bakteri, digunakan struktur sitoplasma kecil yang mengandung DNA yang dapat mereplikasi (lihat Replikasi) secara independen dari kromosom bakteri. Struktur ini membentuk satu kelompok elemen genetik ekstrakromosomal bakteri - plasmid (lihat Plasmid). Beberapa dari mereka dapat dimasukkan ke dalam kromosom bakteri, dan kemudian secara spontan atau di bawah pengaruh agen penginduksi, misalnya. Iradiasi UV, bergerak dari kromosom ke sitoplasma, membawa serta sel-sel gen kromosom yang berdekatan dari inang. Elemen genetik ekstrakromosomal bakteri dengan sifat seperti itu disebut episom [F. Yakub, Wollman (E. Wollman)]. Episom (lihat) termasuk fag sedang (lihat. Bakteriofag), faktor jenis kelamin bakteri, faktor resistensi obat dari mikroorganisme (lihat), faktor bakteriosinogenik (lihat). Di sitoplasma, gen yang ditangkap oleh episom bereplikasi dalam komposisinya dan sering kali membentuk banyak salinan. Pengembangan metode yang efektif untuk mengisolasi plasmid, khususnya fag beriklim sedang yang membawa materi genetik kromosom bakteri, dan mengisolasi fragmen kromosom sel bakteri yang termasuk dalam genom bakteriofag memungkinkan pada tahun 1969 untuk J. Beckwith et al. mengisolasi operon laktosa, sekelompok gen yang mengontrol enzim sintesis yang diperlukan untuk penyerapan laktosa oleh Escherichia coli. Teknik serupa digunakan untuk mengisolasi dan memurnikan gen yang mengontrol sintesis RNA transfer tirosin Escherichia coli (lihat Asam ribonukleat).
Penggunaan plasmid memungkinkan untuk memperoleh hampir semua gen bakteri dalam bentuk terisolasi, dan, akibatnya, kemungkinan membangun molekul DNA dari berbagai sumber. Struktur hibrida semacam itu dapat terakumulasi dalam sel dalam jumlah yang signifikan, karena banyak plasmid dalam kondisi tertentu bereplikasi secara intensif di sitoplasma bakteri, membentuk puluhan, ratusan, dan bahkan ribuan salinan.
keberhasilan G. dan. terkait dengan pengembangan teknik untuk menggabungkan struktur genetik dari sumber yang berbeda dalam satu molekul DNA. Faktor penentu dalam desain molekul hibrida in vitro adalah penggunaan endonuklease restriksi - enzim khusus yang mampu memotong molekul DNA di area yang ditentukan secara ketat. Enzim tersebut ditemukan dalam sel Escherichia coli yang membawa plasmid tipe R, yang menyebabkan resistensi bakteri terhadap obat tertentu, dalam sel Haemophilus influenzae, Serratia marcescens dan mikroorganisme lainnya. Salah satu enzim yang paling umum digunakan dari jenis ini adalah endonuklease restriksi EcoRI, yang disintesis oleh plasmid RI dalam sel E. coli. Enzim mengenali bagian DNA dengan urutan unik enam pasangan basa dan memotong struktur DNA untai ganda di bagian ini sehingga ujung untai tunggal dari empat nukleotida terbentuk di kedua sisi (disebut ujung lengket). Karena enzim memotong molekul DNA, terlepas dari asalnya, dengan cara yang ditentukan secara ketat, semua fragmen DNA yang dihasilkan dari aksi enzim akan memiliki ujung lengket yang sama. Ujung lengket komplementer dari setiap fragmen DNA digabungkan oleh ikatan hidrogen, membentuk DNA sirkular hibrid (Gbr.). Untuk menstabilkan molekul DNA hibrida, enzim lain digunakan - ligase polinukleotida, yang mengembalikan ikatan kovalen yang diputus oleh enzim restriksi. Urutan yang secara khusus dikenali oleh EcoRI terjadi pada DNA yang terpisah tidak lebih dari 4.000-16.000 pasangan basa. Oleh karena itu, fragmen DNA yang terbentuk di bawah aksi EcoRI dapat mencakup setidaknya satu gen yang tidak rusak oleh enzim (rata-rata, satu gen mengandung 1000-1500 pasangan basa).
Penggunaan endonuklease restriksi dan sejumlah enzim lain memungkinkan untuk memperoleh DNA rekombinan kompleks. Sekelompok peneliti di Amerika Serikat yang dipimpin oleh P. Berg berhasil menggabungkan informasi genetik dari tiga sumber sebagai bagian dari satu molekul DNA: genom lengkap (lihat) virus monyet onkogenik SV40, bagian dari genom bakteriofag beriklim sedang dan kelompok gen Escherichia coli yang bertanggung jawab atas asimilasi galaktosa. Molekul rekombinan yang dirancang tidak diuji aktivitas fungsionalnya, karena penulis karya ini berhenti sebelum potensi bahaya penyebaran virus hewan onkogenik pada populasi bakteri yang hidup di usus manusia. Diketahui bahwa DNA virus yang dimurnikan dapat menembus berbagai sel mamalia dan diwariskan secara stabil.
Untuk pertama kalinya, molekul DNA hibrid yang aktif secara fungsional dibangun di AS oleh S. Cohen et al. Kelompok Cohen secara konsisten memecahkan masalah penggabungan dan kloning (akumulasi selektif) molekul DNA yang diisolasi dari spesies yang semakin jauh satu sama lain dalam istilah filogenetik. Prosedur kloning biasanya terdiri dari fakta bahwa DNA dari berbagai sumber difragmentasi menggunakan endonuklease restriksi, kemudian fragmen-fragmen ini digabungkan secara in vitro ke dalam struktur umum dan dimasukkan ke dalam organisme penerima, yang dalam eksperimen Cohen adalah Escherichia coli. Telah ditetapkan bahwa sel-sel dari beberapa spesies bakteri (termasuk Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus) dapat diubah (lihat Transformasi) menggunakan molekul DNA rekombinan. Dalam hal ini, bagian plasmid dari molekul hibrida (atau salah satu plasmid, jika dua plasmid dari sumber yang berbeda digabungkan dalam molekul hibrida) berfungsi sebagai vektor, yaitu, memastikan transfer materi genetik asing filogenetik ke dalam sel penerima dan reproduksinya di dalamnya. Plasmid pertama yang digunakan oleh Cohen dkk sebagai vektor adalah plasmid pSC101 yang diperolehnya secara in vitro, yang mengontrol resistensi bakteri terhadap tetrasiklin. Plasmid kecil ini panjangnya hanya 8000 bp. Ini diserang oleh enzim EcoRI hanya di satu tempat, dan enzim tidak merusak kemampuan plasmid untuk bereplikasi dalam sel E. coli dan mengendalikan resistensi tetrasiklin. Fitur-fitur ini memungkinkan untuk menggunakannya untuk konstruksi molekul DNA hibrid secara in vitro. Pada tahap pertama, DNA plasmid diisolasi dari berbagai spesies bakteri dan kemudian dari organisme tingkat tinggi dilekatkan pada pSC101. Dengan demikian, plasmid "chimeric" (yaitu, tidak mampu terjadi dalam kondisi alami) diciptakan, yang menggabungkan bahan genetik Escherichia coli dalam komposisinya, segmen DNA dari oosit katak cakar Xenopus laevis, yang mengontrol sintesis RNA ribosom, dan segmen DNA bulu babi yang mengontrol sintesis protein histon, atau DNA mitokondria tikus. Dalam sel Escherichia coli, di mana hibrida, plasmid "chimeric" diperkenalkan, pekerjaan gen organisme yang lebih tinggi didaftarkan.
Tidak seperti pSC101, yang hadir dalam sel hanya dalam 4-6 salinan, beberapa plasmid lain yang digunakan sebagai vektor dapat bereplikasi berkali-kali dalam kondisi tertentu, membentuk beberapa ribu salinan dalam satu sel. Sifat-sifat tersebut dimiliki, misalnya, oleh plasmid ColEI, yang mengontrol sintesis colicin (lihat Bacteriocinogeny). Seperti pSC101, ColEI dibelah oleh enzim EcoRl hanya di satu situs, dan DNA asing, juga diperlakukan dengan EcoRI, mudah dilekatkan pada molekul linier yang dihasilkan dengan ujung lengket. Dengan demikian, gen operon triptofan Escherichia coli "dijahit" ke ColEI. Dalam sel yang membawa banyak salinan plasmid hibrida yang dibangun, produksi protein enzim yang dikendalikan oleh gen biosintesis triptofan meningkat secara dramatis. Dalam sistem in vitro, adalah mungkin untuk menempelkan plasmid ColEI ke faktor-R tertentu dan fag sedang. Pekerjaan semacam itu pertama kali dilakukan di Uni Soviet di bawah bimbingan Akademisi A. A. Baev dan Profesor S. I. Alikhanyan. Plasmid vektor gabungan yang dibentuk oleh ColEI dan faktor-R mampu berkembang biak secara intensif dalam sel bakteri, seperti ColEI, dan pada saat yang sama menentukan resistensi sel terhadap antibiotik, yang sangat menyederhanakan pemilihan bakteri - pembawa plasmid hibrida.
Fag beriklim sedang juga digunakan sebagai vektor. Dalam sistem in vitro, partikel bakteriofag hibrida dibangun yang mencakup gen bakteri, DNA fag lain atau organisme yang lebih tinggi (misalnya, DNA lalat buah Drosophila) dalam strukturnya.
Aktivitas fungsional DNA hibrida ditentukan oleh kemungkinan transfernya ke dalam sel organisme penerima dan penggandaan (amplifikasi) berikutnya dalam sel-sel ini. Sebagai penerima, tidak hanya bakteri, seperti yang disebutkan di atas, tetapi juga sel-sel organisme yang lebih tinggi telah digunakan secara efektif, namun sejauh ini hanya dalam bentuk kultur jaringan yang dibudidayakan di luar tubuh. Ada indikasi bahwa DNA fag yang membawa gen bakteri dapat menembus ke dalam sel jaringan ikat manusia (fibroblas), ke dalam protoplas, atau ke dalam kultur sel tumbuhan yang tidak berdiferensiasi (kalus). Pada tahun 1971, Amer. peneliti Merrill (S. R. Merril) et al., melaporkan percobaan untuk memperbaiki cacat herediter - galaktosemia (lihat) dengan memasukkan ke dalam sel-sel "sakit" gen galaktosa bakteri yang termasuk dalam DNA fag transduksi. Akibatnya, sel-sel pasien dengan galaktosemia, yang rusak pada enzim beta-D-galaktosa-1-fosfat uridiltransferase, tidak dapat mengasimilasi galaktosa, mengembalikan kemampuan normalnya untuk tumbuh dengan adanya galaktosa, dan aktivitas enzimatik yang sebelumnya tidak ada adalah terdaftar dalam ekstrak mereka. Hasil serupa diperoleh oleh Horst (J. Horst) dkk, dengan pengenalan gen bakteri yang mengontrol sintesis beta-galaktosidase dalam fibroblas pasien dengan gangliosidosis umum, yang ditandai dengan defisiensi parah enzim ini. Manion (W. Munyon) dan kolaboratornya. menggunakan virus herpes, mereka mentransfer gen yang mengontrol sintesis timidin kinase dari sel manusia ke sel tikus, memulihkan kemampuan fibroblas tikus yang rusak untuk mensintesis enzim ini.
Salah satu cara untuk mentransfer informasi genetik dalam kultur sel manusia, hewan dan tumbuhan adalah hibridisasi sel somatik, yang dikembangkan oleh Ephrussi (V. Ephrussi) dan Barsky (G. Barski). Efektivitas metode ini telah meningkat secara signifikan sejak ditemukan bahwa partikel virus parainfluenza tipe Sendai yang tidak aktif meningkatkan frekuensi fusi sel dari berbagai sumber. Kemungkinan mentransfer gen individu dari kromosom hamster Cina yang terisolasi ke dalam sel jaringan ikat tikus telah dibuktikan. Hibrida sel manusia dan tikus dijelaskan, di mana bagian dari kromosom manusia dihapus, sementara bagian itu tetap aktif secara fungsional. Perkembangan metode bedah mikro sel memungkinkan untuk mentransplantasikan inti sel dari sel somatik ke dalam telur yang dibuahi dan, sebagai hasilnya, memperoleh organisme yang benar-benar identik. Hibridisasi sel memungkinkan untuk menginduksi sintesis globin manusia dalam sel benih katak. Semua contoh ini menunjukkan potensi G. dan.
Nilai praktis G. dan. untuk pengobatan dikaitkan dengan prospek untuk memperbaiki cacat metabolisme herediter pada manusia (lihat Terapi gen), menciptakan mikroorganisme yang telah kehilangan patogenisitasnya, tetapi mempertahankan kemampuan untuk membentuk kekebalan, sintesis antibiotik, asam amino, hormon, vitamin, enzim, imunoglobulin, dll., berdasarkan penggunaan mikroorganisme yang telah memasukkan gen yang sesuai. Hasil yang luar biasa dapat diperoleh dalam waktu dekat G. dan. tanaman. Dengan bantuan metode G. dan. mereka mencoba membuat tanaman yang dapat menyerap nitrogen atmosfer dan meningkatkan komposisi protein makanan nabati. Solusi yang berhasil dari masalah ini akan secara dramatis meningkatkan produktivitas tanaman, mengurangi produksi dan konsumsi nitrogen mineral, dan dengan demikian secara signifikan meningkatkan lingkungan (lihat). Kemungkinan untuk menciptakan bentuk hewan dan tumbuhan yang benar-benar baru dengan mengatasi hambatan interspesifik dari perkawinan silang sedang dipelajari. Namun pada penilaian G. dan. sebagai bentuk baru penguasaan satwa liar, seseorang harus memperhitungkan tidak hanya kemungkinan peran revolusionernya dalam biologi, kedokteran dan pertanian, tetapi juga peluang yang timbul sehubungan dengan perkembangannya untuk munculnya bentuk-bentuk baru mikroorganisme patogen, bahaya penyebaran DNA hibrid dalam populasi bakteri yang hidup pada manusia, pembawa virus Onkogenik, dll. Tentu saja, penggunaan yang disengaja dari pencapaian ilmu pengetahuan, termasuk G. dan., untuk tujuan misantropik yang tidak manusiawi hanya dimungkinkan dalam masyarakat di mana kebaikan manusia dikorbankan untuk keuntungan dan agresi.
Dari bahan tambahan
Rekayasa genetika terus menjadi metode penelitian yang berkembang pesat dalam biologi molekuler dan genetika. Perlu dicatat bahwa konsep "rekayasa genetika" dan "rekayasa genetika" tidak sepenuhnya identik, karena penelitian yang berkaitan dengan rekayasa genetika tidak terbatas pada manipulasi dengan gen seperti itu. Saat ini, metode rekayasa genetika memungkinkan analisis asam nukleat alami yang paling mendalam dan terperinci - zat yang bertanggung jawab untuk penyimpanan, transmisi, dan implementasi informasi genetik (lihat Asam nukleat.), Serta membuat yang dimodifikasi atau benar-benar baru yang tidak ditemukan di alam gen (lihat gen), kombinasi gen dan mengekspresikannya dengan efisiensi tinggi dalam sel hidup (lihat ekspresi gen). Dari pencapaian praktis spesifik rekayasa genetika dalam dekade terakhir, yang paling penting adalah penciptaan produsen protein yang aktif secara biologis - insulin (lihat), interferon (lihat), hormon pertumbuhan (lihat hormon somatotropik), dll., serta sebagai pengembangan metode rekayasa genetika, aktivasi tautan-tautan metabolisme itu, gandum hitam dihubungkan dengan pembentukan agen aktif biologis molekul rendah. Dengan cara ini, produsen antibiotik, asam amino, dan vitamin tertentu diperoleh, berkali-kali lebih efektif daripada produsen zat-zat ini, yang diturunkan dengan metode genetika dan seleksi tradisional. Metode sedang dikembangkan untuk mendapatkan vaksin protein murni terhadap virus hepatitis, influenza, herpes, dan penyakit mulut dan kuku, gagasan menggunakan vaksinasi dengan virus vaccinia telah diterapkan, dalam genom yang gennya mengkode sintesis protein virus lain (misalnya, virus hepatitis atau influenza) tertanam: sebagai hasilnya Inokulasi dengan virus yang dibuat dengan cara ini, tubuh mengembangkan kekebalan tidak hanya terhadap cacar, tetapi juga terhadap hepatitis, influenza atau penyakit lain yang disebabkan oleh virus itu, protein to-rogo dikodekan oleh gen bawaan.
Koleksi dunia endonuklease restriksi - restriksi, "alat" utama manipulasi rekayasa genetika, telah berkembang secara signifikan. Lebih dari 400 batasan "mengenali" kira-kira. 100 situs spesifik (situs) dari struktur yang berbeda dalam molekul DNA (lihat Asam deoksiribonukleat) dan pemecahan rantai polinukleotida DNA di situs ini. Menggunakan satu enzim tersebut atau kombinasi dari beberapa enzim restriksi, hampir semua gen dapat diisolasi sebagai bagian dari satu atau lebih fragmen DNA (disebut fragmen restriksi). Ini memperluas kemungkinan rekayasa genetika tidak hanya dalam hal mengisolasi gen, tetapi juga dalam hal mengaktifkan pekerjaan mereka, menganalisis struktur gen dan lingkungan molekuler mereka. Metode untuk sintesis seluruh gen dengan urutan nukleotida tertentu telah dikembangkan, menjadi mungkin untuk memasok gen yang disintesis dan alami dengan berbagai urutan nukleotida pengatur, mengganti, memasukkan, menghapus nukleotida tunggal di bagian gen yang ditentukan secara ketat, mempersingkat atau melengkapi rantai nukleotidanya dengan akurasi satu nukleotida.
Pencapaian rekayasa genetika adalah penetrasinya ke dalam organisasi dan fungsi mekanisme hereditas dalam sel-sel organisme yang lebih tinggi, termasuk manusia. Pada eukariota yang lebih tinggi, data paling menarik telah diperoleh dengan menggunakan metode rekayasa genetika. Keberhasilan rekayasa genetika sebagian besar terkait dengan produksi vektor khusus baru yang memungkinkan kloning (perbanyakan) fragmen DNA individu (gen) yang efisien dan sintesis protein yang dikodekan oleh gen-gen ini.
Fragmen restriksi yang terhubung ke vektor DNA dikloning dalam sel hidup menggunakan kemampuan vektor tersebut untuk bereproduksi (mereplikasi) dalam sel dalam banyak salinan. Tergantung pada ukuran fragmen yang akan dikloning dan tujuan penelitian, vektor dari salah satu dari empat jenis digunakan - plasmid (lihat), fag (lihat. Bakteriofag), kosmid atau turunan fag dengan DNA beruntai tunggal.
Untuk mengkloning fragmen DNA yang relatif kecil (hingga 10 ribu pasangan basa), vektor plasmid (pBR322, pAT 153, pUR250, pUC19, dll.) digunakan. Pencapaian rekayasa genetika dalam beberapa tahun terakhir adalah produksi vektor berdasarkan fag X (Charon 4A, gtwes-B), di mana bagian dari genom digantikan oleh fragmen DNA asing. Genom hibrida secara artifisial "dikemas" ke dalam lapisan protein dan bakteri terinfeksi dengan fag yang direkonstruksi ini. Membentuk beberapa ribu salinan selama reproduksi di dalam sel, fag yang direkonstruksi melisiskannya dan dilepaskan ke media kultur. Dengan bantuan vektor tersebut, fragmen DNA dari 10-25 ribu pasangan basa dikloning.
Vektor kosmid (pIB8, MUA-3) adalah hibrida dari fag X dan plasmid. Mereka mengandung apa yang disebut Urutan COS dari DNA fag yang diperlukan untuk mengemas genom fag ke dalam cangkang protein, dan segmen DNA plasmid yang memungkinkan vektor kosmid bereplikasi pada bakteri dengan cara yang sama seperti yang dilakukan plasmid. Dengan demikian, genom rekombinan yang dihasilkan menginfeksi bakteri dengan efisiensi tinggi seperti bakteriofag, tetapi berkembang biak di dalamnya seperti plasmid tanpa menyebabkan kematian sel bakteri. Kosmid digunakan untuk mengkloning fragmen DNA hingga 35-45 ribu pasangan basa.
Vektor, yang merupakan turunan dari fag dengan DNA untai tunggal (M13 mp8, M13, mp73, dll.), dibangun berdasarkan molekul DNA sirkular dari bakteriofag M13. Untuk menanamkan DNA asing, molekul DNA fag untai ganda replika digunakan. Sebuah vektor yang membawa DIC asing dimasukkan ke dalam sel bakteri, di mana molekul rekombinan berkembang biak tanpa melisiskan sel ini dan "bertunas" ke dalam media kultur sebagai partikel virus dengan molekul DNA beruntai tunggal. Vektor ini digunakan untuk mengkloning fragmen DNA (hingga 300-400 pasangan basa).
Gen yang diperlukan untuk manipulasi rekayasa genetika diperoleh dengan mengkloning molekul DNA rekombinan yang sesuai dan memilih klon tersebut. Dalam kasus-kasus ketika gen organisme yang lebih tinggi dan manusia dikloning / ekspresi to-rykh dalam E. coli (paling sering digunakan untuk tujuan tersebut) tidak mungkin, prosedur kloning dan seleksi dilakukan dalam beberapa tahap. Pada tahap pertama, yang disebut perpustakaan gen dari fragmen DNA (kloning langsung dari genom sel) atau dari salinan DNA kloning (cDNA) dari messenger RNA yang sesuai. Membandingkan struktur fragmen DNA genom dan cDNA yang sesuai, mereka memperoleh informasi penting tentang organisasi materi genetik, dan dalam kasus penyakit keturunan, tentang sifat anomali materi genetik, konsekuensinya adalah ini. penyakit. Dari perpustakaan gen, dengan menggunakan teknik modern, dimungkinkan untuk mengekstrak gen yang diperlukan dengan daerah genom sekitarnya. Saat ini, perpustakaan lengkap gen dari banyak mikroorganisme, tumbuhan dan hewan (hingga mamalia dan manusia) telah dibuat. Beberapa ratus gen dan sekuens nukleotida lain dalam DNA manusia telah dikloning dan sampai taraf tertentu dipelajari.
Kemungkinan penelitian rekayasa genetika tidak terbatas pada kloning gen dan memperoleh salinan dalam jumlah besar. Seringkali diperlukan tidak hanya untuk mengkloning gen, tetapi juga untuk memastikan ekspresinya dalam sel, yaitu, untuk menerapkan informasi yang terkandung di dalamnya ke dalam urutan asam amino dari rantai polipeptida dari protein yang dikodekan oleh gen ini. Jika gen yang dimasukkan ke dalam sel bakteri diperoleh dari bakteri dari spesies yang sama (atau dekat), maka mungkin cukup untuk mengisolasi gen dengan elemen pengatur yang mengontrol ekspresinya. Namun, dengan beberapa pengecualian, urutan nukleotida pengatur dari organisme yang jauh secara evolusioner tidak dapat dipertukarkan. Oleh karena itu, untuk mencapai, misalnya, ekspresi gen eukariotik dalam sel E. coli, daerah pengatur dihilangkan darinya, dan bagian struktural gen tersebut dilampirkan (pada jarak tertentu) ke daerah pengatur dari gen bakteri. Kemajuan yang signifikan dalam pengembangan teknik ini dicapai setelah penemuan enzim nuklease Ba131, yang memiliki sifat unik untuk menghidrolisis kedua rantai molekul DNA linier beruntai ganda mulai dari ujung molekul, yaitu enzim ini menghilangkan “ekstra” Urutan nukleotida berapa pun panjangnya dari ujung fragmen DNA. Saat ini, wilayah struktural dan regulasi diisolasi secara terpisah menggunakan restriksi tersebut, situs "pengenalan" yang terletak paling berhasil pada rantai polinukleotida, kemudian urutan nukleotida "ekstra" dihilangkan dan wilayah struktural gen eukariotik terhubung ke wilayah regulasi gen bakteri. Dengan cara ini, dimungkinkan untuk mencapai tidak hanya ekspresi gen eukariotik dalam sel bakteri, tetapi, sebaliknya, gen bakteri dalam sel eukariota yang lebih tinggi dan lebih rendah.
Keberhasilan rekayasa genetika erat kaitannya dengan pengembangan dan penyempurnaan metode penentuan urutan nukleotida (sequencing) dalam molekul DNA. Sejumlah besar restriksi yang tersedia bagi para peneliti memungkinkan untuk mengisolasi fragmen DNA tertentu dengan spesifisitas absolut, dan pengembangan serta peningkatan metode kloning memungkinkan untuk memperoleh fragmen bahkan gen unik dalam jumlah yang diperlukan untuk analisis. Metode sekuensing DNA telah terbukti sangat efektif sehingga seringkali, dengan menentukan urutan nukleotida DNA, diperoleh data tentang urutan nukleotida dalam molekul RNA yang sesuai dan urutan residu asam amino dalam molekul protein yang disintesis. Saat memproses hasil sekuensing DNA, komputer banyak digunakan. Untuk interpretasi yang lebih lengkap dan lebih cepat dari data eksperimen yang diperoleh, "bank" komputer nasional dan internasional dari urutan nukleotida sedang dibuat. Saat ini, urutan nukleotida lengkap genom dari sejumlah plasmid bakteri dan virus telah ditentukan, dan masalah menentukan urutan nukleotida lengkap dari kromosom individu pertama, dan kemudian seluruh genom organisme yang lebih tinggi, termasuk manusia, sudah sedang dipecahkan.
Dengan bantuan metode rekayasa genetika, penyimpangan dalam struktur bagian-bagian tertentu dari gen manusia ditemukan, yang merupakan penyebab penyakit keturunan. Paling sering, metode ini disebut. b. analisis lot. DNA seluler yang diisolasi mengalami hidrolisis enzim restriksi, fragmen yang dihasilkan dipisahkan berdasarkan ukuran menggunakan elektroforesis gel agarosa atau poliakrilamida. Fragmen yang dipisahkan dipindahkan ("dicetak ulang") ke kertas kromatografi yang diperlakukan secara khusus, filter nitroselulosa atau nilon dan sekali lagi dikenai pemisahan elektroforesis. Potong tempat elektroferogram yang sesuai dengan fraksi individu dan mengandung jenis fragmen DNA yang sama; potongan elektroforogram diinkubasi dengan gen atau bagian yang telah diklon sebelumnya, atau dengan gen yang diperoleh secara kimiawi. sintesis oleh urutan nukleotida yang mengandung label radioaktif. DNA yang ditandai hanya berhubungan dengan fragmen DNA seluler yang dianalisis, sehingga gandum hitam memiliki urutan nukleotida yang melengkapinya. Perubahan dalam distribusi dan jumlah label tetap dibandingkan dengan norma memungkinkan untuk menilai penataan ulang dalam gen yang dianalisis atau urutan nukleotida yang berdekatan dengannya.
Situs "pengenalan" restriksi tertentu dalam molekul DNA tidak merata, oleh karena itu, selama hidrolisis oleh enzim ini, molekul DNA dipecah menjadi beberapa fragmen dengan panjang yang berbeda. Penataan ulang struktur DNA, sebagai akibatnya situs "pengenalan" yang ada menghilang atau muncul, menyebabkan perubahan pada kumpulan fragmen ini (yang disebut fragmen restriksi), yaitu, munculnya panjang fragmen restriksi polimorfisme (GVDRF). Penataan ulang dalam molekul DNA mungkin atau mungkin tidak menyebabkan perubahan selama sintesis atau dalam struktur protein yang dikodekan; penataan ulang yang tidak menyebabkan perubahan adalah mayoritas, dan menyebabkan RFLP normal. Ternyata RFLP adalah sifat genetik yang jelas. Saat ini, analisis RFLP telah menjadi salah satu metode paling akurat yang digunakan dalam genetika manusia dan genetika medis. Untuk sejumlah penyakit keturunan, bentuk RFLP dijelaskan yang secara langsung menunjukkan adanya penyakit atau pembawa gen yang diubah secara patologis.
Rekayasa genetika menandai awal dari arah penelitian baru, yang disebut "genetika terbalik". Analisis genetik tradisional (lihat) dilakukan dalam urutan berikut: tanda dipilih, hubungan tanda dengan determinan genetik dan lokalisasi determinan ini dalam kaitannya dengan yang sudah diketahui ditetapkan. Dalam genetika terbalik, semuanya terjadi dalam urutan terbalik: sebuah fragmen DNA dengan fungsi yang tidak diketahui dipilih, keterkaitan fragmen DNA ini dengan daerah lain dari genom dan hubungannya dengan sifat-sifat tertentu ditetapkan. Pendekatan ini memungkinkan untuk mengembangkan metode untuk diagnosis dini dan deteksi pembawa penyakit seperti korea Huntington, penyakit Duchenne, cystic fibrosis, sifat biokimia cacat herediter yang belum diketahui. Menggunakan metode silsilah untuk menetapkan pola transmisi herediter dari korea Huntington, ditunjukkan bahwa fragmen DNA G8 yang diisolasi dari genom manusia terkait erat dengan gen yang menentukan penyakit, dan bentuk fragmen RFLP G8 dalam populasi ini dapat mendiagnosis penyakit ini dan mengidentifikasi pembawa gen yang rusak.
Masih banyak kesulitan teknis dalam memperkenalkan metode yang digunakan dalam rekayasa genetika ke dalam praktik medis. Banyak laboratorium di seluruh dunia secara aktif mengembangkan metode diagnostik rekayasa genetika yang cocok secara praktis, dan diharapkan metode tersebut akan menemukan aplikasi dalam waktu dekat, jika bukan untuk skrining genetik massal (screening) selama pemeriksaan medis populasi, maka, pada setidaknya, untuk survei sampel kelompok berisiko tinggi untuk penyakit keturunan.
Rekayasa genetika memungkinkan tidak hanya untuk menyalin senyawa dan proses alami, tetapi juga untuk memodifikasinya dan membuatnya lebih efisien. Contohnya adalah penelitian baru yang disebut rekayasa protein. Perhitungan yang dibuat berdasarkan data pada urutan asam amino dan organisasi spasial molekul protein menunjukkan bahwa dengan penggantian tertentu residu asam amino tertentu dalam molekul sejumlah enzim, peningkatan signifikan dalam aktivitas enzimatiknya dimungkinkan. Dalam gen terisolasi yang mengkode sintesis enzim tertentu, metode rekayasa genetika digunakan untuk melakukan penggantian nukleotida tertentu yang dikontrol secara ketat. Selama sintesis protein enzimatik di bawah kendali gen yang dimodifikasi seperti itu, penggantian residu asam amino yang ditentukan sebelumnya secara ketat dalam rantai polipeptida terjadi, yang menyebabkan peningkatan aktivitas enzim berkali-kali lipat dibandingkan dengan aktivitas alami. prototipe.
Di bidang pertanian, rekayasa genetika diharapkan dapat memberikan kontribusi besar dalam pemilihan varietas tanaman unggul baru yang tahan terhadap kekeringan, penyakit, dan hama, serta pengembangan varietas tanaman baru yang sangat produktif. hewan.
Seperti halnya pencapaian ilmu pengetahuan, keberhasilan rekayasa genetika dapat digunakan tidak hanya untuk kepentingan, tetapi juga untuk merugikan umat manusia. Penelitian yang dilakukan secara khusus telah menunjukkan bahwa bahaya penyebaran DNA rekombinan yang tidak terkendali tidak sebesar yang diperkirakan sebelumnya. DNA rekombinan dan bakteri yang membawa mereka ternyata sangat tidak stabil terhadap pengaruh lingkungan, tidak layak pada manusia dan hewan. Diketahui bahwa di alam dan tanpa campur tangan manusia ada kondisi yang menyediakan pertukaran aktif informasi genetik, inilah yang disebut. aliran gen. Namun, alam telah menciptakan banyak penghalang efektif untuk penetrasi informasi genetik asing ke dalam tubuh. Saat ini, jelas bahwa ketika bekerja dengan sebagian besar molekul DNA rekombinan, tindakan pencegahan yang biasa cukup memadai, gandum hitam digunakan, misalnya, oleh ahli mikrobiologi ketika bekerja dengan bahan infeksius. Untuk kasus khusus, metode efektif telah dikembangkan untuk perlindungan biologis dan isolasi fisik objek eksperimental dari manusia dan lingkungan. Oleh karena itu, versi pertama yang sangat ketat dari aturan untuk bekerja dengan DNA rekombinan direvisi dan secara signifikan dilonggarkan. Mengenai penggunaan yang disengaja dari pencapaian rekayasa genetika untuk merugikan manusia, baik ilmuwan maupun masyarakat harus secara aktif berjuang untuk memastikan bahwa bahaya ini tetap hanya mungkin secara teoritis.
Lihat juga Bioteknologi.
Bibliografi: Alikhanyan S. I. Keberhasilan dan prospek rekayasa genetika, Genetika, vol.12, Jvft 7, hlm. 150, 1976, daftar pustaka; AlikhanyanS. I. dkk. Memperoleh molekul DNA rekombinan (hibrida) yang berfungsi, in vitro, ibid., vol.I, No.11, hlm. 34, 1975, bibliogr.; Baev A. A. Rekayasa genetika, Priroda, M1, hal. 8, 1976; Tikhomirova L.P. dan lainnya. Molekul DNA hibrida fag X dan plasmid ColEl, Dokl. Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet, vol.223, no.4, hlm. 995, 1975, daftar pustaka; Coklat D.D.a. S t e r n R. Metode isolasi gen, Ann. Putaran. Biokimia., v. 43, hal. 667, 1974, daftar pustaka; C h a n g A. C. Y. a. Hai. Studi DNA mitokondria tikus di Escherichia coli, Cell, v. 6, hal. 231.1975, daftar pustaka; Hedgpeth J., Goodman H. M. a. Urutan nukleotida DNA B o y e r H. W. dibatasi oleh endonuklease R1, Proc. nat. akad. sci. (cuci.), v. 69, hal. 3448, 1972, daftar pustaka; Hershfield V.a. Hai. Plasmid ColEl sebagai kendaraan molekuler untuk kloning dan amplifikasi DNA, ibid., v. 71, hal. 3455, 1974; Morrow J. F. a. Hai. Replikasi dan transkripsi DNA eukariotik dalam Escherichia coli, ibid., hal. 1743; T e m i n H. M. a. Mizu-tani S. RNA-dependent DNA polimerase dalam virion virus sarkoma Rous, Nature (Lond.), v. 226, hal. 1211, 1970.
Bioteknologi, ed. A.A. Baeva, M., 1984; B tentang h hingga sekitar di N. P., Zakharov A. F. dan Ivanov V. I. Genetika medis, M., 1984; M a n i a-tis G., FrichE. dan Sambrook J. Metode rekayasa genetika. Kloning molekuler, trans. dari bahasa Inggris, M., 1984; A n t o n a r a k i s S. E. a. Hai. Polimorfisme DNA dan patologi molekuler kluster gen globin manusia, Hum. Gen., v. 69, hal. 1, 1985; Beaudet A. L. Bibliografi manusia kloning dan DNA terpilih lainnya, Amer. J. hum. Gen., v. 37, hal. 386, 1985; Dalam ot s t e i n D. a. Hai. Konstruksi peta keterkaitan genetik pada manusia menggunakan polimorfisme panjang fragmen restriksi, ibid., v. 32, hal. 314, 1980; G u s e 1 1 a J. E. a. Hai. Penanda DNA untuk penyakit sistem saraf, Science, v. 225, hal. 1320, 1984; Motulsky A. G. Dampak manipulasi genetik pada masyarakat dan kedokteran, ibid., v. 219, hal. 135, 1983; Putih R.a. Hai. Penanda genetik terkait erat untuk cystic fibrosis, Nature (Lond.), v. 318, hal. 382, 1985; Wo o S. L. C., L i d s sampai y A. S. a. Guttler F. Diagnosis prenatal fenilketonuria klasik dengan pemetaan gen, J. Amer. obat pantat., v. 251, hal. 1998, 1984.
L.S. Chernin, V.H. Kalinin.
Pentingnya ekonomi
Rekayasa genetika berfungsi untuk mendapatkan kualitas yang diinginkan dari organisme yang dimodifikasi atau dimodifikasi secara genetik. Tidak seperti pemuliaan tradisional, di mana genotipe hanya diubah secara tidak langsung, rekayasa genetika memungkinkan Anda untuk secara langsung mengganggu peralatan genetik, menggunakan teknik kloning molekuler. Contoh penerapan rekayasa genetika adalah produksi varietas tanaman rekayasa genetika baru, produksi insulin manusia menggunakan bakteri rekayasa genetika, produksi eritropoietin dalam kultur sel, atau keturunan baru tikus percobaan untuk penelitian ilmiah.
Dasar dari industri mikrobiologis biosintetik adalah sel bakteri. Sel-sel yang diperlukan untuk produksi industri dipilih sesuai dengan kriteria tertentu, yang paling penting adalah kemampuan untuk memproduksi, mensintesis, dalam jumlah maksimum yang mungkin, senyawa tertentu - asam amino atau antibiotik, hormon steroid atau asam organik . Kadang-kadang diperlukan mikroorganisme yang dapat, misalnya, menggunakan minyak atau air limbah sebagai “makanan” dan mengolahnya menjadi biomassa atau bahkan protein yang cukup cocok untuk bahan tambahan pakan. Kadang-kadang diperlukan organisme yang dapat tumbuh pada suhu tinggi atau dengan adanya zat yang tidak diragukan lagi mematikan bagi jenis mikroorganisme lainnya.
Tugas mendapatkan galur industri semacam itu sangat penting, untuk modifikasi dan seleksinya, banyak metode pengaruh aktif pada sel telah dikembangkan - mulai dari pengobatan dengan racun kuat hingga iradiasi radioaktif. Tujuan dari teknik ini adalah sama - untuk mencapai perubahan pada alat genetik sel yang diturunkan. Hasilnya adalah produksi banyak mikroba mutan, dari ratusan dan ribuan di antaranya para ilmuwan kemudian mencoba memilih yang paling cocok untuk tujuan tertentu. Penciptaan teknik untuk mutagenesis kimia atau radiasi merupakan pencapaian luar biasa dalam biologi dan banyak digunakan dalam modern bioteknologi.
Tetapi kemampuannya dibatasi oleh sifat mikroorganisme itu sendiri. Mereka tidak mampu mensintesis sejumlah zat berharga yang terakumulasi dalam tanaman, terutama obat dan minyak esensial. Mereka tidak dapat mensintesis zat yang sangat penting bagi kehidupan hewan dan manusia, sejumlah enzim, hormon peptida, protein kekebalan, interferon, dan banyak lagi senyawa yang tersusun sederhana yang disintesis pada hewan dan manusia. Tentu saja, kemungkinan mikroorganisme masih jauh dari habis. Dari kelimpahan mikroorganisme, hanya sebagian kecil yang telah digunakan oleh ilmu pengetahuan, dan terutama oleh industri. Untuk tujuan seleksi mikroorganisme, yang sangat menarik adalah, misalnya, bakteri anaerob yang dapat hidup tanpa oksigen, fototrof yang menggunakan energi cahaya seperti tanaman, kemoautotrof, bakteri termofilik yang dapat hidup pada suhu, seperti yang baru-baru ini ditemukan. , sekitar 110 ° C, dll.
Namun keterbatasan "bahan alami" sudah jelas. Mereka mencoba dan mencoba untuk menghindari pembatasan dengan bantuan kultur sel dan jaringan tumbuhan dan hewan. Ini adalah cara yang sangat penting dan menjanjikan, yang juga diterapkan di bioteknologi. Selama beberapa dekade terakhir, para ilmuwan telah mengembangkan metode di mana sel-sel tunggal dari jaringan tumbuhan atau hewan dapat dibuat untuk tumbuh dan berkembang biak secara terpisah dari tubuh, seperti sel bakteri. Ini merupakan pencapaian penting - kultur sel yang dihasilkan digunakan untuk eksperimen dan untuk produksi industri zat tertentu yang tidak dapat diperoleh dengan menggunakan kultur bakteri.
Sejarah perkembangan dan tingkat teknologi yang dicapai
Pada paruh kedua abad ke-20, beberapa penemuan dan penemuan penting dibuat yang mendasarinya rekayasa genetika. Bertahun-tahun upaya untuk "membaca" informasi biologis yang "tercatat" dalam gen telah berhasil diselesaikan. Pekerjaan ini dimulai oleh ilmuwan Inggris F. Sanger dan ilmuwan Amerika W. Gilbert (Hadiah Nobel dalam Kimia). Seperti yang Anda ketahui, gen mengandung informasi-instruksi untuk sintesis molekul RNA dan protein dalam tubuh, termasuk enzim. Untuk memaksa sel mensintesis zat baru yang tidak biasa untuknya, set enzim yang sesuai harus disintesis di dalamnya. Dan untuk ini perlu dengan sengaja mengubah gen di dalamnya, atau memasukkan gen baru yang sebelumnya tidak ada ke dalamnya. Perubahan gen pada sel hidup adalah mutasi. Mereka terjadi di bawah pengaruh, misalnya, mutagen - racun kimia atau radiasi. Tetapi perubahan seperti itu tidak dapat dikendalikan atau diarahkan. Oleh karena itu, para ilmuwan telah memusatkan upaya mereka untuk mencoba mengembangkan metode untuk memasukkan gen baru yang sangat spesifik ke dalam sel yang dibutuhkan seseorang.
Tahapan utama pemecahan masalah rekayasa genetika adalah sebagai berikut:
1. Memperoleh gen yang diisolasi. 2. Pengenalan gen menjadi vektor untuk ditransfer ke organisme. 3. Transfer vektor dengan gen ke organisme yang dimodifikasi. 4. Transformasi sel tubuh. 5. Seleksi organisme hasil rekayasa genetika ( transgenik) dan menghilangkan yang tidak berhasil dimodifikasi.
Proses sintesis gen saat ini berkembang sangat baik dan bahkan sebagian besar otomatis. Ada perangkat khusus yang dilengkapi dengan komputer, dalam memori yang menyimpan program untuk sintesis berbagai urutan nukleotida. Peralatan tersebut mensintesis segmen DNA hingga 100-120 basa nitrogen (oligonukleotida). Sebuah teknik telah tersebar luas yang memungkinkan penggunaan reaksi berantai polimerase untuk sintesis DNA, termasuk DNA mutan. Enzim termostabil, DNA polimerase, digunakan di dalamnya untuk sintesis templat DNA, yang digunakan sebagai benih untuk potongan asam nukleat yang disintesis secara artifisial - oligonukleotida. Enzim reverse transcriptase memungkinkan, dengan menggunakan primer tersebut (primer), untuk mensintesis DNA pada matriks RNA yang diisolasi dari sel. DNA yang disintesis dengan cara ini disebut komplementer (RNA) atau cDNA. Gen terisolasi, "murni secara kimiawi" juga dapat diperoleh dari perpustakaan fag. Ini adalah nama persiapan bakteriofag, di mana fragmen acak genom dari genom atau cDNA dimasukkan, direproduksi oleh fag bersama dengan semua DNA-nya.
Teknik memasukkan gen ke dalam bakteri dikembangkan setelah Frederick Griffith menemukan fenomena transformasi bakteri. Fenomena ini didasarkan pada proses seksual primitif, yang pada bakteri disertai dengan pertukaran fragmen kecil DNA non-kromosom, plasmid. Teknologi plasmid membentuk dasar untuk pengenalan gen buatan ke dalam sel bakteri.
Kesulitan yang signifikan dikaitkan dengan pengenalan gen yang sudah jadi ke dalam peralatan herediter sel tumbuhan dan hewan. Namun, di alam, ada kasus-kasus ketika DNA asing (virus atau bakteriofag) termasuk dalam peralatan genetik sel dan, dengan bantuan mekanisme metabolismenya, mulai mensintesis protein "sendiri". Para ilmuwan mempelajari fitur pengenalan DNA asing dan menggunakannya sebagai prinsip untuk memasukkan materi genetik ke dalam sel. Proses ini disebut transfeksi.
Jika organisme uniseluler atau kultur sel multiseluler dimodifikasi, maka kloning dimulai pada tahap ini, yaitu pemilihan organisme dan keturunannya (klon) yang telah mengalami modifikasi. Ketika tugasnya adalah untuk mendapatkan organisme multiseluler, maka sel-sel dengan genotipe yang berubah digunakan untuk perbanyakan vegetatif tanaman atau disuntikkan ke dalam blastokista dari ibu pengganti ketika datang ke hewan. Akibatnya, anak dilahirkan dengan genotipe yang berubah atau tidak berubah, di antaranya hanya yang menunjukkan perubahan yang diharapkan yang dipilih dan disilangkan di antara mereka sendiri.
Aplikasi dalam penelitian ilmiah
Meskipun dalam skala kecil, rekayasa genetika telah digunakan untuk memberikan kesempatan pada wanita dengan beberapa jenis ketidaksuburan untuk hamil. Untuk melakukan ini, gunakan telur wanita yang sehat. Akibatnya, anak mewarisi genotipe dari satu ayah dan dua ibu.
Namun, kemungkinan memperkenalkan perubahan yang lebih signifikan dalam genom manusia menghadapi sejumlah masalah etika yang serius.
11 Juli 2008Rekayasa genetika(rekayasa genetika) - seperangkat metode dan teknologi, termasuk teknologi untuk memperoleh asam ribonukleat dan deoksiribonukleat rekombinan, untuk mengisolasi gen dari suatu organisme, untuk memanipulasi gen dan memasukkannya ke dalam organisme lain.
Rekayasa genetika adalah bagian integral dari bioteknologi modern, dasar teoretisnya adalah biologi molekuler, genetika. Inti dari teknologi baru terletak pada diarahkan, sesuai dengan program yang telah ditentukan, konstruksi sistem genetik molekuler di luar tubuh (in vitro) dengan pengenalan berikutnya dari struktur yang dibuat ke dalam organisme hidup. Akibatnya, inklusi dan aktivitas mereka dalam organisme ini dan pada keturunannya tercapai. Kemungkinan rekayasa genetika - transformasi genetik, transfer gen asing dan bahan pembawa hereditas lainnya ke dalam sel tanaman, hewan, dan mikroorganisme, produksi organisme rekayasa genetika (dimodifikasi secara genetik, transgenik) dengan genetik, biokimia, dan fisiologis baru yang unik. sifat dan karakteristiknya, lakukan arah strategis ini.
Dari sudut pandang metodologi, rekayasa genetika menggabungkan prinsip-prinsip dasar (genetika, teori sel, biologi molekuler, biologi sistem), pencapaian ilmu postgenomik paling modern: genomik, metabolomik, proteomik dengan pencapaian nyata di bidang terapan: biomedis, agrobioteknologi , bioenergi, biofarmakologi, bioindustri, dll.
Rekayasa genetika termasuk (bersama dengan bioteknologi, genetika, biologi molekuler, dan sejumlah ilmu kehidupan lainnya) ke bidang ilmu alam.
Referensi sejarah
Rekayasa genetika muncul berkat karya banyak peneliti di berbagai cabang biokimia dan genetika molekuler. Pada tahun 1953, J. Watson dan F. Crick menciptakan model DNA untai ganda, pada pergantian tahun 1950-an dan 1960-an, sifat-sifat kode genetik dijelaskan, dan pada akhir 1960-an, universalitasnya dikonfirmasi secara eksperimental. Ada pengembangan genetika molekuler yang intensif, yang objeknya adalah E. coli, virusnya, dan plasmidnya. Metode telah dikembangkan untuk mengisolasi preparat yang sangat murni dari molekul DNA utuh, plasmid, dan virus. DNA virus dan plasmid dimasukkan ke dalam sel dalam bentuk biologis aktif, memastikan replikasi dan ekspresi gen yang sesuai. Pada tahun 1970, G. Smith adalah orang pertama yang mengisolasi sejumlah enzim - restriksi yang cocok untuk tujuan rekayasa genetika. G. Smith menemukan bahwa enzim HindII murni yang diperoleh dari bakteri mempertahankan kemampuan untuk memotong molekul asam nukleat (aktivitas nuklease), yang merupakan karakteristik bakteri hidup. Kombinasi restriksi DNA (untuk memotong molekul DNA menjadi fragmen tertentu) dan enzim yang diisolasi pada tahun 1967 - ligase DNA (untuk fragmen "ikat silang" dalam urutan yang berubah-ubah) dapat dianggap sebagai penghubung utama dalam teknologi rekayasa genetika.
Jadi, pada awal 1970-an, prinsip-prinsip dasar fungsi asam nukleat dan protein dalam organisme hidup dirumuskan dan prasyarat teoretis untuk rekayasa genetika dibuat.
Akademisi A.A. Baev adalah ilmuwan pertama di negara kita yang percaya pada janji rekayasa genetika dan memimpin penelitian di bidang ini. Rekayasa genetika (menurut definisinya) adalah konstruksi in vitro dari struktur genetik yang aktif secara fungsional (DNA rekombinan), atau dengan kata lain, pembuatan program genetik buatan.
Tugas dan metode rekayasa genetika
Telah diketahui dengan baik bahwa pemuliaan tradisional memiliki sejumlah keterbatasan yang mencegah produksi hewan keturunan baru, varietas tanaman atau ras mikroorganisme yang praktis berharga:
1. kurangnya rekombinasi pada spesies yang tidak berkerabat. Ada penghalang kaku antara spesies yang membuat rekombinasi alami menjadi sulit.
2. ketidakmampuan untuk mengontrol proses rekombinasi dalam tubuh dari luar. Kurangnya homologi antara kromosom menyebabkan ketidakmampuan untuk mendekati dan bertukar bagian individu (dan gen) dalam proses pembentukan sel germinal. Akibatnya, menjadi tidak mungkin untuk mentransfer gen yang diperlukan dan memastikan kombinasi optimal dalam organisme baru dari gen yang diperoleh dari bentuk induk yang berbeda;
3. ketidakmungkinan untuk secara akurat menentukan karakteristik dan sifat keturunan, karena proses rekombinasi adalah statistik.
Mekanisme alami yang menjaga kemurnian dan stabilitas genom suatu organisme hampir tidak mungkin diatasi dengan metode seleksi klasik.
Teknologi untuk memperoleh organisme yang dimodifikasi secara genetik (GMO) pada dasarnya memecahkan masalah mengatasi semua rekombinasi alami dan antarspesies dan hambatan reproduksi. Tidak seperti pemuliaan tradisional, di mana genotipe hanya diubah secara tidak langsung, rekayasa genetika memungkinkan Anda untuk secara langsung mengganggu peralatan genetik, menggunakan teknik kloning molekuler. Rekayasa genetika memungkinkan untuk beroperasi dengan gen apa pun, bahkan yang disintesis secara artifisial atau milik organisme yang tidak terkait, mentransfernya dari satu spesies ke spesies lain, dan menggabungkannya dalam urutan yang sewenang-wenang.
Teknologi ini mencakup beberapa tahap pembuatan GMO:
1. Memperoleh gen yang diisolasi.
2. Pengenalan gen ke dalam vektor untuk integrasi ke dalam suatu organisme.
3. Transfer vektor dengan konstruksi ke organisme penerima yang dimodifikasi.
4. Kloning molekuler.
5. Pemilihan GMO.
Tahap pertama - sintesis, isolasi dan identifikasi fragmen DNA atau RNA target dan elemen pengatur dikembangkan dengan sangat baik dan otomatis. Sebuah gen terisolasi juga dapat diperoleh dari perpustakaan fag.
Tahap kedua adalah pembuatan in vitro (in vitro) dari konstruksi genetik (transgen), yang berisi satu atau lebih fragmen DNA (mengkodekan urutan asam amino protein) dalam kombinasi dengan elemen pengatur (yang terakhir memastikan aktivitas transgen dalam tubuh). Selanjutnya, transgen dimasukkan ke dalam DNA vektor untuk kloning menggunakan alat rekayasa genetika - enzim restriksi dan ligase. Untuk penemuan restriksi Werner Arber, Daniel Nathans dan Hamilton Smith dianugerahi Hadiah Nobel (1978). Sebagai aturan, plasmid digunakan sebagai vektor - molekul DNA melingkar kecil yang berasal dari bakteri.
Tahap selanjutnya sebenarnya adalah “modifikasi genetik” (transformasi), yaitu transfer konstruksi "vektor tertanam DNA" ke dalam sel-sel hidup individu. Pengenalan gen yang sudah jadi ke dalam peralatan herediter sel tumbuhan dan hewan adalah tugas yang kompleks, yang diselesaikan setelah mempelajari fitur pengenalan DNA asing (virus atau bakteri) ke dalam peralatan genetik sel. Proses transfeksi telah digunakan sebagai prinsip untuk memasukkan materi genetik ke dalam sel.
Jika transformasi berhasil, maka setelah replikasi yang efisien, sejumlah sel anak muncul dari satu sel yang diubah, yang mengandung konstruksi genetik yang dibuat secara artifisial. Dasar munculnya sifat baru dalam suatu organisme adalah biosintesis protein baru pada organisme - produk transgen, misalnya tanaman - ketahanan terhadap kekeringan atau hama serangga pada tanaman GM.
Untuk organisme uniseluler, proses modifikasi genetik terbatas pada penyisipan plasmid rekombinan, diikuti dengan pemilihan keturunan yang dimodifikasi (klon). Untuk organisme multiseluler yang lebih tinggi, misalnya, tanaman, wajib untuk memasukkan konstruksi dalam DNA kromosom atau organel sel (kloroplas, mitokondria) dengan regenerasi selanjutnya dari seluruh tanaman dari sel terisolasi yang terpisah pada media nutrisi. Dalam kasus hewan, sel-sel yang diubah genotipe dimasukkan ke dalam blastosida ibu pengganti. Tanaman GM pertama diperoleh pada tahun 1982 oleh para ilmuwan dari Institute of Plant Science di Cologne dan Monsanto.
Arah utama
Era pasca-genomik pada dekade pertama abad ke-21 telah mengangkat perkembangan rekayasa genetika ke tingkat yang baru. Protokol Cologne yang disebut "Menuju Bioekonomi Berbasis Pengetahuan" mendefinisikan bioekonomi sebagai "mengubah pengetahuan ilmu hayat menjadi produk baru, berkelanjutan, efisien lingkungan dan kompetitif". Peta jalan untuk rekayasa genetika berisi sejumlah bidang: terapi gen, bioindustri, teknologi berbasis sel induk hewan, tanaman GM, hewan GM, dll.
tanaman rekayasa genetika
DNA asing dapat dimasukkan ke dalam tanaman dengan berbagai cara.
Untuk tanaman dikotil, ada vektor alami untuk transfer gen horizontal: Agrobacterium plasmid. Adapun monokotil, meskipun dalam beberapa tahun terakhir keberhasilan tertentu telah dicapai dalam transformasi mereka dengan vektor agrobakteri, namun, jalur transformasi seperti itu menghadapi kesulitan yang signifikan.
Untuk transformasi tanaman yang tahan terhadap agrobakteri, teknik telah dikembangkan untuk transfer fisik langsung DNA ke dalam sel, termasuk: pemboman dengan mikropartikel atau metode balistik; elektroporasi; pemrosesan dengan polietilen glikol; transfer DNA dalam liposom, dll.
Setelah melakukan transformasi jaringan tanaman dengan satu atau lain cara, ia ditempatkan secara in vitro pada media khusus dengan fitohormon, yang mendorong reproduksi sel. Media biasanya mengandung agen selektif terhadap mana sel transgenik tetapi tidak kontrol menjadi resisten. Regenerasi paling sering melewati tahap kalus, setelah itu, dengan pemilihan media yang tepat, organogenesis (pembentukan tunas) dimulai. Tunas yang terbentuk dipindahkan ke media perakaran, seringkali juga mengandung agen selektif untuk seleksi individu transgenik yang lebih ketat.
Tanaman transgenik pertama (tanaman tembakau dengan gen yang disisipkan dari mikroorganisme) diperoleh pada tahun 1983. Percobaan lapangan pertama yang berhasil dari tanaman transgenik (tanaman tembakau yang tahan terhadap infeksi virus) telah dilakukan di AS pada tahun 1986.
Setelah melewati semua tes yang diperlukan untuk toksisitas, alergenisitas, mutagenisitas, dll. Produk transgenik pertama dikomersialkan di AS pada tahun 1994. Ini adalah tomat Flavr Savr Calgen yang pematangannya tertunda dan kedelai tahan herbisida Monsanto. Sudah setelah 1-2 tahun, perusahaan biotek memasarkan sejumlah tanaman rekayasa genetika: tomat, jagung, kentang, tembakau, kedelai, lobak, sumsum, lobak, kapas.
Di Federasi Rusia, kemungkinan memperoleh kentang transgenik dengan transformasi bakteri menggunakan Agrobacterium tumefaciens ditunjukkan pada tahun 1990.
Saat ini, ratusan perusahaan komersial di seluruh dunia dengan modal gabungan lebih dari $100 miliar terlibat dalam memperoleh dan menguji tanaman rekayasa genetika. Bioteknologi tanaman rekayasa genetika telah menjadi industri penting untuk produksi makanan dan produk berguna lainnya, menarik sumber daya manusia yang signifikan dan arus keuangan.
Di Rusia, di bawah kepemimpinan Akademisi K.G. Skryabin (Pusat "Bioengineering" RAS) memperoleh dan mengkarakterisasi varietas kentang GM Elizaveta plus dan Lugovskoy plus, tahan terhadap kumbang kentang Colorado. Menurut hasil pemeriksaan oleh Layanan Federal untuk Pengawasan Perlindungan Hak Konsumen dan Kesejahteraan Manusia berdasarkan pendapat ahli dari Institut Penelitian Negara Nutrisi dari Akademi Ilmu Kedokteran Rusia, varietas ini telah lulus pendaftaran negara, termasuk dalam daftar negara dan diizinkan untuk diimpor, diproduksi, dan diedarkan di wilayah Federasi Rusia.
Varietas kentang GM ini pada dasarnya berbeda dari yang biasa dengan adanya gen terintegrasi dalam genomnya yang menentukan 100% perlindungan tanaman dari kumbang kentang Colorado tanpa menggunakan bahan kimia apa pun.
Gelombang pertama tanaman transgenik yang disetujui untuk penggunaan praktis mengandung gen tambahan untuk ketahanan (terhadap penyakit, herbisida, hama, pembusukan selama penyimpanan, dan stres).
Tahap saat ini dalam pengembangan rekayasa genetika tanaman disebut "rekayasa metabolisme". Pada saat yang sama, tugasnya tidak begitu banyak untuk meningkatkan kualitas tertentu yang ada dari tanaman, seperti dalam pemuliaan tradisional, tetapi untuk mengajarkan tanaman untuk menghasilkan senyawa yang sama sekali baru yang digunakan dalam pengobatan, produksi kimia dan bidang lainnya. Senyawa ini dapat berupa, misalnya, asam lemak khusus, protein berguna dengan kandungan asam amino esensial yang tinggi, polisakarida yang dimodifikasi, vaksin yang dapat dimakan, antibodi, interferon dan protein "obat" lainnya, polimer baru yang tidak mencemari lingkungan, dan banyak lagi. , lebih banyak. Penggunaan tanaman transgenik memungkinkan produksi zat-zat tersebut dalam skala besar dan murah dan dengan demikian membuatnya lebih mudah diakses untuk konsumsi luas.
hewan hasil rekayasa genetika
Sel hewan berbeda secara signifikan dari sel bakteri dalam kemampuannya menyerap DNA asing, sehingga metode dan teknik untuk memasukkan gen ke dalam sel embrio mamalia, lalat, dan ikan tetap menjadi fokus perhatian para insinyur genetika.
Mamalia yang paling banyak dipelajari secara genetik adalah tikus. Keberhasilan pertama dimulai pada tahun 1980, ketika D. Gordon dan rekan kerja menunjukkan kemungkinan memperkenalkan dan mengintegrasikan DNA asing ke dalam genom tikus. Integrasi stabil dan bertahan pada keturunannya. Transformasi dihasilkan dengan mikroinjeksi gen kloning menjadi satu atau kedua pronukleus (inti) embrio segar pada tahap satu sel (zigot). Lebih sering, pronukleus jantan yang diperkenalkan oleh spermatozoa dipilih, karena ukurannya lebih besar. Setelah disuntik, sel telur segera ditanamkan di saluran telur ibu angkat, atau dibiarkan berkembang dalam kultur ke tahap blastokista, setelah itu ditanamkan di dalam rahim.
Interferon manusia dan gen insulin, gen -globin kelinci, gen timidin kinase virus herpes simpleks, dan cDNA virus leukemia tikus disuntikkan. Jumlah molekul yang diberikan per injeksi berkisar antara 100 hingga 300.000, dan ukurannya dari 5 hingga 50 kb. Biasanya 10 - 30% telur bertahan hidup, dan proporsi tikus yang lahir dari telur yang diubah bervariasi dari beberapa hingga 40%. Jadi, efisiensi sebenarnya adalah sekitar 10%.
Tikus rekayasa genetika, kelinci, domba, babi, kambing, anak sapi dan mamalia lainnya telah diperoleh dengan metode ini. Di negara kita, babi yang membawa gen somatotropin telah diperoleh. Mereka tidak berbeda dalam tingkat pertumbuhan dari hewan normal, tetapi perubahan metabolisme mempengaruhi kandungan lemak. Pada hewan tersebut, proses lipogenesis dihambat dan sintesis protein diaktifkan. Penggabungan gen faktor seperti insulin juga menyebabkan perubahan metabolisme. Babi GM diciptakan untuk mempelajari rantai transformasi biokimia hormon, dan efek sampingnya adalah penguatan sistem kekebalan tubuh.
Sistem sintesis protein yang paling kuat ditemukan di sel-sel kelenjar susu. Jika Anda menempatkan gen protein asing di bawah kendali promotor kasein, maka ekspresi gen ini akan kuat dan stabil, dan protein akan terakumulasi dalam susu. Dengan bantuan bioreaktor hewan (sapi transgenik), susu telah diperoleh, yang mengandung laktoferin protein manusia. Protein ini rencananya akan digunakan untuk pencegahan penyakit gastroenterologi pada orang dengan kekebalan rendah: pasien AIDS, bayi prematur, pasien kanker yang telah menjalani radioterapi.
Arah penting transgenesis adalah produksi hewan tahan penyakit. Gen interferon, yang merupakan protein pelindung, dimasukkan ke berbagai hewan. Tikus transgenik menerima resistensi - mereka tidak sakit atau sedikit sakit, tetapi tidak ada efek seperti itu yang ditemukan pada babi.
Aplikasi dalam penelitian ilmiah
Knockout gen adalah teknik menghilangkan satu atau lebih gen, yang memungkinkan studi tentang fungsi gen. Untuk mendapatkan tikus knockout, konstruk rekayasa genetika yang dihasilkan dimasukkan ke dalam sel induk embrionik, di mana konstruk mengalami rekombinasi somatik dan menggantikan gen normal, dan sel-sel yang diubah ditanamkan ke dalam blastokista ibu pengganti. Tumbuhan dan mikroorganisme dihancurkan dengan cara yang sama.
Ekspresi buatan adalah penambahan gen pada suatu organisme yang sebelumnya tidak dimiliki, juga dengan tujuan untuk mempelajari fungsi gen. Pencitraan produk gen – digunakan untuk mempelajari lokasi produk gen. Penggantian gen normal dengan gen rekayasa yang menyatu dengan elemen reporter (misalnya, gen protein fluoresen hijau) memberikan visualisasi produk modifikasi gen.
Mempelajari mekanisme ekspresi. Sepotong kecil DNA yang terletak di depan daerah pengkodean (promotor) dan berfungsi untuk mengikat faktor transkripsi dimasukkan ke dalam tubuh, setelah itu gen reporter, misalnya, GFP, yang mengkatalisis reaksi yang mudah dideteksi, ditempatkan setelahnya. gennya sendiri. Selain fakta bahwa fungsi promotor di berbagai jaringan pada satu waktu atau yang lain menjadi terlihat jelas, eksperimen semacam itu memungkinkan untuk mempelajari struktur promotor dengan menghilangkan atau menambahkan fragmen DNA ke dalamnya, serta meningkatkan secara artifisial. ekspresi gen.
Keamanan hayati kegiatan rekayasa genetika
Kembali pada tahun 1975, para ilmuwan di seluruh dunia pada Konferensi Asilomar mengajukan pertanyaan penting: apakah kemunculan transgenik berpotensi berdampak negatif pada keanekaragaman hayati? Sejak saat itu, seiring dengan pesatnya perkembangan rekayasa genetika, arah baru mulai berkembang - keamanan hayati. Tugas utamanya adalah untuk menilai apakah penggunaan GMO memiliki dampak yang tidak diinginkan terhadap lingkungan, kesehatan manusia dan hewan, dan tujuan utamanya adalah untuk membuka jalan bagi penggunaan pencapaian bioteknologi modern, sambil menjamin keamanannya.
Strategi keamanan hayati didasarkan pada penelitian ilmiah tentang karakteristik transgenik, pengalaman dengannya, serta informasi tentang tujuan penggunaannya dan lingkungan di mana mereka akan diperkenalkan. Upaya jangka panjang bersama organisasi internasional (UNEP, WHO, OECD), para ahli dari berbagai negara, termasuk Rusia, telah mengembangkan konsep dan prosedur dasar: keamanan biologis, bahaya biologis, risiko, penilaian risiko. Hanya setelah siklus penuh pemeriksaan berhasil dilakukan, kesimpulan ilmiah disiapkan tentang keamanan hayati transgenik. Pada tahun 2005, WHO menerbitkan sebuah laporan yang menunjukkan bahwa tanaman yang terdaftar dalam makanan GM sama amannya untuk dimakan seperti tanaman tradisional.
Bagaimana biosafety dipastikan di Rusia? Ratifikasi "Konvensi Keanekaragaman Hayati" pada tahun 1995 dapat dianggap sebagai awal dari masuknya Rusia dalam sistem keamanan hayati global. Sejak saat itu, pembentukan sistem keamanan hayati nasional dimulai, yang titik awalnya adalah berlakunya Undang-Undang Federal Federasi Rusia "Tentang Peraturan Negara di Bidang Kegiatan Rekayasa Genetik" (1996). Undang-undang Federal menetapkan konsep dasar dan prinsip-prinsip regulasi negara dan kontrol semua jenis pekerjaan dengan GMO. Undang-undang Federal menetapkan tingkat risiko tergantung pada jenis GMO dan jenis pekerjaan, memberikan definisi sistem tertutup dan terbuka, pelepasan GMO, dll.
Selama beberapa tahun terakhir, salah satu sistem regulasi paling ketat telah dibentuk di Rusia. Sungguh luar biasa bahwa sistem regulasi negara transgenik dimulai secara preventif, pada tahun 1996, sebelum organisme rekayasa genetika nyata dinyatakan untuk komersialisasi di Rusia (transgenik pertama - kedelai transgenik - didaftarkan untuk penggunaan makanan pada tahun 1999). Instrumen hukum dasar adalah pendaftaran negara organisme hasil rekayasa genetika, serta produk yang berasal darinya atau mengandungnya, yang dimaksudkan untuk digunakan sebagai makanan dan pakan.
Untuk memahami situasi saat ini, penting bahwa selama 25 tahun yang telah berlalu sejak pertama masuknya tanaman GM di pasar, tidak ada satu pun dampak negatif yang dapat diandalkan terhadap lingkungan dan kesehatan manusia dan hewan yang telah diidentifikasi baik selama pengujian maupun komersial. menggunakan. Hanya satu dari sumber dunia - laporan dari masyarakat otoritatif AGBIOS "Keamanan Hayati Esensial" berisi lebih dari 1000 referensi penelitian yang membuktikan bahwa makanan dan pakan yang diperoleh dari tanaman biotek sama amannya dengan produk tradisional. Namun, hari ini di Rusia tidak ada kerangka hukum yang memungkinkan pelepasan ke lingkungan pabrik GM, serta produk yang berasal darinya atau yang mengandungnya, di wilayah negara kita. Akibatnya, pada 2010, tidak ada satu pun pabrik GM yang ditanam di wilayah Federasi Rusia untuk tujuan komersial.
Menurut perkiraan, menurut Protokol Cologne (2007), pada tahun 2030 sikap terhadap tanaman GM akan berubah menuju persetujuan penggunaannya.
Pencapaian dan prospek pengembangan
Rekayasa genetika dalam kedokteran
Kebutuhan perawatan kesehatan, kebutuhan untuk memecahkan masalah penuaan populasi membentuk permintaan tetap untuk obat-obatan rekayasa genetika (dengan penjualan tahunan 26 miliar dolar AS) dan kosmetik medis dari bahan baku tumbuhan dan hewan (dengan penjualan tahunan sekitar 40 miliar dolar AS). ). AS).
Di antara banyak pencapaian rekayasa genetika yang telah diterapkan dalam kedokteran, yang paling signifikan adalah produksi insulin manusia dalam skala industri.
Saat ini, menurut WHO, ada sekitar 110 juta orang di dunia dengan diabetes. Insulin, suntikan yang diindikasikan untuk pasien dengan penyakit ini, telah lama diperoleh dari organ hewan dan digunakan dalam praktik medis. Namun, penggunaan insulin hewan dalam jangka panjang menyebabkan kerusakan permanen pada banyak organ pasien karena reaksi imunologis yang disebabkan oleh injeksi insulin hewani yang asing ke tubuh manusia. Tetapi bahkan kebutuhan insulin hewani sampai saat ini hanya dipenuhi oleh 60-70%. Insinyur genetika mengkloning gen insulin sebagai tantangan praktis pertama mereka. Gen insulin manusia kloning diperkenalkan dengan plasmid ke dalam sel bakteri, di mana sintesis hormon yang strain mikroba alami tidak pernah disintesis dimulai. Sejak 1982, perusahaan-perusahaan di AS, Jepang, Inggris Raya dan negara-negara lain telah memproduksi insulin rekayasa genetika. Di Rusia, memperoleh insulin manusia rekayasa genetika - Insuran dilakukan di Institut Kimia Bioorganik. MM. Shemyakin dan Yu.A. Ovchinnikov RAS. Saat ini, insulin domestik diproduksi dalam volume yang cukup untuk menyediakan pasien diabetes di Moskow. Pada saat yang sama, permintaan seluruh pasar Rusia untuk insulin rekayasa genetika dipenuhi terutama oleh pasokan impor. Pasar dunia untuk insulin saat ini lebih dari 400 juta dolar, konsumsi tahunan sekitar 2500 kg.
Perkembangan rekayasa genetika pada tahun 80-an abad terakhir memberikan awal yang baik bagi Rusia dalam penciptaan galur mikroorganisme rekayasa genetika dengan sifat yang diinginkan - produsen zat aktif biologis, dalam pengembangan metode rekayasa genetika untuk merekonstruksi bahan genetik virus, dalam produksi bahan obat, termasuk menggunakan simulasi komputer. Interferon rekombinan dan bentuk sediaan berdasarkan itu untuk tujuan medis dan kedokteran hewan, interleukin (b-leukin), eritropoietin, telah dibawa ke tahap produksi. Terlepas dari meningkatnya permintaan untuk persiapan yang sangat murni, produksi imunoglobulin, albumin, plasmol dalam negeri menyediakan 20% dari kebutuhan pasar domestik.
Penelitian sedang dilakukan secara aktif untuk mengembangkan vaksin untuk pencegahan dan pengobatan hepatitis, AIDS dan sejumlah penyakit lainnya, serta vaksin konjugasi generasi baru terhadap infeksi yang paling signifikan secara sosial. Vaksin subunit polimer dari generasi baru terdiri dari antigen pelindung yang sangat murni dari berbagai sifat dan pembawa - imunostimulan polioksidonium, yang memberikan peningkatan tingkat respons imun spesifik. Rusia dapat memberikan vaksinasi terhadap sebagian besar infeksi yang diketahui berdasarkan produksi imunologisnya sendiri. Hanya produksi vaksin rubella yang benar-benar tidak ada.
Rekayasa genetika untuk pertanian
Perbaikan genetik tanaman dan tanaman hias merupakan proses yang panjang dan berkesinambungan dengan menggunakan teknologi yang semakin tepat dan dapat diprediksi. Sebuah laporan ilmiah PBB (1989) menyatakan: “Karena teknik molekuler adalah yang paling akurat, mereka yang menggunakannya lebih percaya diri tentang sifat-sifat yang mereka berikan pada tanaman dan karena itu lebih kecil kemungkinannya untuk memiliki efek yang tidak diinginkan daripada ketika mereka digunakan. metode pemuliaan konvensional. .
Manfaat teknologi baru sudah banyak digunakan di negara-negara seperti Amerika Serikat, Argentina, India, Cina, dan Brasil, di mana tanaman rekayasa genetika dibudidayakan di wilayah yang luas.
Teknologi baru juga sangat penting bagi petani miskin dan orang-orang di negara miskin, terutama perempuan dan anak-anak. Misalnya, GM, kapas dan jagung tahan hama membutuhkan lebih sedikit aplikasi insektisida (yang membuat pekerjaan pertanian lebih aman). Tanaman tersebut berkontribusi pada hasil yang lebih tinggi, pendapatan yang lebih tinggi bagi petani, mengurangi kemiskinan dan risiko keracunan pestisida kimia penduduk, yang terutama berlaku di sejumlah negara, termasuk India, Cina, Afrika Selatan dan Filipina.
Tanaman GM yang paling umum adalah yang tahan terhadap herbisida yang paling murah, paling tidak beracun, dan paling banyak digunakan. Budidaya tanaman tersebut memungkinkan Anda untuk mendapatkan hasil yang lebih tinggi per hektar, menyingkirkan penyiangan manual melelahkan, menghabiskan lebih sedikit uang melalui minimal atau tanpa pengolahan, yang pada gilirannya menyebabkan erosi tanah berkurang.
2009 melihat penggantian tanaman GM generasi pertama dengan produk generasi kedua, yang mengarah ke hasil yang lebih tinggi untuk pertama kalinya. Contoh tanaman biotek kelas baru (yang telah dikerjakan oleh banyak peneliti) adalah kedelai toleran glifosat RReady2Yield™, ditanam pada tahun 2009 di AS dan Kanada di lebih dari 0,5 juta ha.
Pengenalan rekayasa genetika ke dalam agrobiologi modern dapat diilustrasikan oleh fakta-fakta berikut dari sejumlah tinjauan ahli asing, termasuk tinjauan tahunan dari International Service for Monitoring the Application of Agrobiotechnologies (ISAA) independen, yang dipimpin oleh ahli terkenal dunia Clive James (Claiv James): (www.isaaa.org)
Pada tahun 2009, tanaman GM ditanam di 25 negara di 134 juta hektar (9% dari 1,5 miliar hektar lahan subur di dunia). Enam negara Uni Eropa (dari 27) membudidayakan jagung Bt, dan pada tahun 2009 area yang ditanami mencapai lebih dari 94.750 ha. Analisis pengaruh ekonomi dunia dari penggunaan tanaman biotek untuk periode 1996-2008. menunjukkan peningkatan laba sebesar $51,9 miliar berkat dua sumber: pertama, ini adalah pengurangan biaya produksi (50%), dan kedua, peningkatan hasil yang signifikan (50%) sebesar 167 juta ton.
Pada tahun 2009, total nilai pasar benih tanaman GM di dunia adalah $10,5 miliar. Nilai total biji-bijian jagung dan kedelai biotek, serta kapas, adalah $130 miliar pada tahun 2008 dan diperkirakan akan tumbuh 10-15% per tahun.
Diperkirakan jika bioteknologi diadopsi sepenuhnya, pada akhir periode 2006-2015, pendapatan semua negara dalam hal PDB akan meningkat sebesar 210 miliar dolar AS per tahun.
Pengamatan yang dilakukan sejak diperkenalkannya tanaman toleran herbisida di bidang pertanian merupakan bukti yang meyakinkan bahwa petani telah mampu mengendalikan gulma dengan lebih efektif. Pada saat yang sama, melonggarkan dan membajak ladang kehilangan arti pentingnya sebagai alat pengendalian gulma. Akibatnya, konsumsi bahan bakar traktor berkurang, struktur tanah diperbaiki dan erosi tanah dicegah. Program insektisida yang ditargetkan untuk kapas Bt mencakup lebih sedikit semprotan tanaman dan oleh karena itu lebih sedikit kunjungan lapangan, sehingga mengurangi erosi tanah. Semua ini tanpa disadari berkontribusi pada pengenalan teknologi pengolahan tanah konservasi yang bertujuan untuk mengurangi erosi tanah, kadar karbon dioksida dan mengurangi kehilangan air.
Keadaan sains saat ini ditandai dengan pendekatan terpadu, penciptaan platform teknologi terpadu untuk melakukan berbagai penelitian. Mereka menggabungkan tidak hanya bioteknologi, biologi molekuler dan rekayasa genetika, tetapi juga kimia, fisika, bioinformatika, transkriptomik, proteomik, metabolomik.
Bacaan yang direkomendasikan
1. J. Watson. Biologi molekuler gen. M.: Mir. 1978.
2. Stent G., Kalindar R. Genetika molekuler. M.: Mir. 1981
3. S.N. Shchelkunov "Rekayasa genetika". Novosibirsk, Pers Universitas Siberia, 2008
4. Glick B. Bioteknologi molekuler. Prinsip dan aplikasi / B. Glick, J. Pasternak. M.: Mir, 2002
5. Rekayasa genetika tanaman. panduan laboratorium. Diedit oleh J. Draper, R. Scott, F. Armitage, R. Walden. M.: "Tuan". 1991.
6. Agrobioteknologi di dunia. Ed. Skryabina K.G. M.: Pusat "Bioengineering" RAS, 2008. - 135 hal.
7. Clark. D., Russell L. Biologi molekuler adalah pendekatan yang sederhana dan menghibur. M.: CJSC "Perusahaan KOND". 2004
Tautan
1. "Tentang peraturan negara tentang kegiatan rekayasa genetika." FZ-86 sebagaimana telah diubah. 2000, pasal.1
2. Protokol Cologne, Cologne Paper, diadopsi pada konferensi “Menuju Bioekonomi Berbasis Pengetahuan” (Cologne, 30 Mei 2007) yang diselenggarakan oleh Uni Eropa selama Kepresidenan Uni Eropa Jerman.
TEKNIK GENETIK, seperangkat metode biokimia dan genetika molekuler, yang dengannya kombinasi terarah informasi genetik organisme apa pun dilakukan. Rekayasa genetika memungkinkan untuk mengatasi hambatan antarspesies alami yang mencegah pertukaran informasi genetik antara spesies organisme yang jauh secara taksonomi, dan untuk menciptakan sel dan organisme dengan kombinasi gen yang tidak ada di alam, dengan sifat yang dapat diwariskan. Objek utama dampak rekayasa genetika adalah pembawa informasi genetik - asam deoksiribonukleat (DNA), molekul yang biasanya terdiri dari dua rantai. Kekhususan yang ketat dari pasangan basa purin dan pirimidin menentukan sifat komplementaritas - korespondensi timbal balik nukleotida dalam dua rantai. Penciptaan kombinasi gen baru ternyata dimungkinkan karena kesamaan mendasar dari struktur molekul DNA di semua jenis organisme, dan universalitas aktual dari kode genetik memastikan ekspresi gen asing (manifestasi dari aktivitas fungsionalnya). ) di semua jenis sel. Ini juga difasilitasi oleh akumulasi pengetahuan di bidang kimia asam nukleat, identifikasi fitur molekuler dari organisasi dan fungsi gen (termasuk pembentukan mekanisme untuk mengatur ekspresinya dan kemungkinan mensubordinasikan gen ke tindakan " asing" elemen pengatur), pengembangan metode pengurutan DNA, penemuan reaksi berantai polimerase, yang memungkinkan dengan cepat mensintesis setiap bagian DNA. Prasyarat penting untuk munculnya rekayasa genetika adalah: penemuan plasmid yang mampu melakukan replikasi dan transisi otonom dari satu sel bakteri ke sel bakteri lainnya, dan fenomena transduksi - transfer gen tertentu oleh bakteriofag, yang memungkinkan untuk merumuskan konsep vektor: molekul pembawa gen. Yang sangat penting dalam pengembangan metodologi rekayasa genetika adalah enzim yang terlibat dalam transformasi asam nukleat: enzim restriksi (mengenali urutan yang ditentukan secara ketat dalam molekul DNA - situs - dan "memotong" rantai ganda di tempat-tempat ini), DNA ligase (mengikat secara kovalen fragmen DNA individu), reverse transcriptase (mensintesis salinan pelengkap DNA, atau cDNA, pada template RNA), dll. Hanya dengan kehadiran mereka, penciptaan struktur buatan telah menjadi tugas teknis yang layak. Enzim digunakan untuk mendapatkan fragmen DNA individu (gen) dan membuat hibrida molekuler - DNA rekombinan (recDNA) berdasarkan DNA plasmid dan virus. Yang terakhir mengirimkan gen yang diinginkan ke sel inang, memastikan reproduksinya (kloning) dan pembentukan produk gen akhir (ekspresinya) di sana.
Prinsip pembuatan molekul DNA rekombinan. Istilah "rekayasa genetika" menjadi luas setelah P. Berg dan rekan-rekannya pertama kali memperoleh DNA rekombinan pada tahun 1972, yang merupakan hibrida di mana fragmen DNA dari bakteri Escherichia coli, virusnya (bakteriofag ) dan DNA virus monyet. SV40 terhubung (Gbr. 1). Pada tahun 1973, S. Cohen dkk menggunakan plasmid pSC101 dan enzim restriksi (EcoRI), yang memecahnya di satu tempat sedemikian rupa sehingga "ekor" untai tunggal komplementer pendek (biasanya 4-6 nukleotida) terbentuk di ujung molekul DNA untai ganda. Mereka disebut "lengket" karena mereka bisa kawin (semacam menempel) satu sama lain. Ketika DNA tersebut dicampur dengan fragmen DNA asing yang diperlakukan dengan enzim restriksi yang sama dan memiliki ujung lengket yang sama, plasmid hibrida baru diperoleh, masing-masing mengandung setidaknya satu fragmen DNA asing yang dimasukkan ke dalam situs EcoRI dari plasmid (Gbr. 2). Menjadi jelas bahwa fragmen berbagai DNA asing yang diperoleh baik dari mikroorganisme maupun dari eukariota yang lebih tinggi dapat dimasukkan ke dalam plasmid tersebut.
Strategi utama saat ini untuk mendapatkan recDNA adalah sebagai berikut:
1) Fragmen DNA milik organisme lain yang mengandung gen tertentu atau urutan nukleotida yang diperoleh secara artifisial yang menarik bagi peneliti dimasukkan ke dalam DNA plasmid atau virus yang dapat bereproduksi secara independen dari kromosom;
2) molekul hibrid yang dihasilkan dimasukkan ke dalam sel prokariotik atau eukariotik yang sensitif, di mana mereka bereplikasi (berlipat ganda, memperkuat) bersama dengan fragmen DNA yang tertanam di dalamnya;
3) pilih klon sel dalam bentuk koloni pada media nutrisi khusus (atau virus dalam bentuk zona kliring - plak pada lapisan pertumbuhan sel bakteri atau kultur jaringan hewan) yang mengandung jenis molekul recDNA yang diinginkan dan tundukkan mereka studi struktural dan fungsional yang komprehensif. Untuk memfasilitasi pemilihan sel di mana recDNA hadir, vektor yang mengandung satu atau lebih penanda digunakan. Dalam plasmid, misalnya, gen resistensi antibiotik dapat berfungsi sebagai penanda tersebut (pemilihan sel yang mengandung recDNA dilakukan sesuai dengan kemampuannya untuk tumbuh dengan adanya satu atau lain antibiotik). RecDNA yang membawa gen yang diinginkan dipilih dan dimasukkan ke dalam sel penerima. Mulai saat ini, kloning molekuler dimulai - memperoleh salinan rekDNA, dan, akibatnya, salinan gen target dalam komposisinya. Hanya jika memungkinkan untuk memisahkan semua sel yang ditransfeksi atau terinfeksi, setiap klon akan diwakili oleh koloni sel yang terpisah dan berisi recDNA tertentu. Pada tahap akhir dilakukan identifikasi (pencarian) klon yang mengandung gen yang diinginkan. Hal ini didasarkan pada fakta bahwa penyisipan ke dalam recDNA menentukan beberapa sifat unik dari sel yang mengandungnya (misalnya, produk ekspresi dari gen yang disisipkan). Dalam percobaan pada kloning molekuler, 2 prinsip dasar diamati: tidak ada sel tempat kloning rekDNA terjadi harus menerima lebih dari satu molekul plasmid atau partikel virus; yang terakhir harus bisa meniru.
Berbagai macam plasmid dan DNA virus digunakan sebagai molekul vektor dalam rekayasa genetika. Vektor kloning yang paling populer mengandung beberapa penanda genetik dan memiliki satu situs aksi untuk restriksi yang berbeda. Persyaratan tersebut, misalnya, paling baik dipenuhi oleh plasmid pBR322, yang dibuat dari plasmid alami yang asli menggunakan metode yang digunakan saat bekerja dengan recDNA; mengandung gen untuk resistensi terhadap ampisilin dan tetrasiklin, serta satu situs pengenalan untuk 19 restriksi yang berbeda. Kasus khusus dari vektor kloning adalah vektor ekspresi, yang, bersama dengan amplifikasi, memastikan ekspresi gen asing yang benar dan efisien dalam sel penerima. Dalam beberapa kasus, vektor molekuler dapat memastikan integrasi DNA asing ke dalam genom sel atau virus (disebut vektor integratif).
Salah satu tugas terpenting rekayasa genetika adalah menciptakan galur bakteri atau ragi, garis sel jaringan hewan atau tumbuhan, serta tumbuhan dan hewan transgenik (lihat Organisme transgenik), yang akan memastikan ekspresi gen yang dikloning secara efisien. mereka. Produksi protein tingkat tinggi dicapai jika gen dikloning dalam vektor multikopi, karena dalam hal ini, gen target akan hadir dalam sel dalam jumlah besar. Adalah penting bahwa urutan pengkodean DNA berada di bawah kendali promotor yang secara efektif dikenali oleh RNA polimerase sel, dan bahwa mRNA yang dihasilkan relatif stabil dan diterjemahkan secara efisien. Selain itu, protein asing yang disintesis dalam sel penerima tidak boleh mengalami degradasi cepat oleh protease intraseluler. Saat membuat hewan dan tumbuhan transgenik, ekspresi spesifik jaringan dari gen target yang diperkenalkan sering kali tercapai.
Karena kode genetik bersifat universal, kemungkinan ekspresi gen hanya ditentukan oleh kehadiran dalam komposisi sinyal untuk inisiasi dan penghentian transkripsi dan translasi, yang dikenali dengan benar oleh sel inang. Karena sebagian besar gen eukariota yang lebih tinggi memiliki struktur ekson-intron yang terputus-putus, sebagai hasil dari transkripsi gen tersebut, prekursor RNA messenger (pra-mRNA) terbentuk, dari mana, selama penyambungan berikutnya, urutan non-coding - intron dibelah dan mRNA matang terbentuk. Gen tersebut tidak dapat diekspresikan dalam sel bakteri yang tidak memiliki sistem penyambungan. Untuk mengatasi kendala ini, salinan DNA (cDNA) disintesis pada molekul mRNA matang menggunakan reverse transcriptase, yang untai kedua diselesaikan menggunakan DNA polimerase. Fragmen DNA yang sesuai dengan urutan pengkodean gen (tidak lagi dipisahkan oleh intron) dapat dimasukkan ke dalam vektor molekuler yang sesuai.
Mengetahui urutan asam amino dari polipeptida target, dimungkinkan untuk mensintesis urutan nukleotida yang mengkodekannya, memperoleh apa yang disebut gen ekuivalen, dan memasukkannya ke dalam vektor ekspresi yang sesuai. Saat membuat gen yang setara, seseorang biasanya memperhitungkan sifat degenerasi kode genetik (20 asam amino dikodekan oleh 61 kodon) dan frekuensi kemunculan kodon untuk setiap asam amino dalam sel-sel tempat gen ini direncanakan. untuk diperkenalkan, karena komposisi kodon dapat berbeda secara signifikan dalam organisme yang berbeda. Kodon yang dipilih dengan benar dapat secara signifikan meningkatkan produksi protein target dalam sel penerima.
Nilai rekayasa genetika. Rekayasa genetika telah sangat memperluas batas eksperimental biologi molekuler, karena memungkinkan untuk memasukkan DNA asing ke dalam berbagai jenis sel dan mempelajari fungsinya. Hal ini memungkinkan untuk mengungkapkan pola biologis umum organisasi dan ekspresi informasi genetik dalam berbagai organisme. Pendekatan ini telah membuka prospek untuk penciptaan produsen mikrobiologi baru yang fundamental dari zat aktif biologis, serta hewan dan tumbuhan yang membawa gen asing yang aktif secara fungsional. Banyak protein aktif biologis manusia yang sebelumnya tidak dapat diakses, termasuk interferon, interleukin, hormon peptida, dan faktor darah, mulai diproduksi dalam jumlah besar dalam sel bakteri, ragi, atau mamalia dan digunakan secara luas dalam pengobatan. Selain itu, menjadi mungkin untuk secara artifisial membuat gen yang mengkode polipeptida chimeric yang memiliki sifat dua atau lebih protein alami. Semua ini memberikan dorongan kuat untuk pengembangan bioteknologi.
Objek utama rekayasa genetika adalah bakteri Escherichia coli (Escherichia coli) dan Bacilltis subtilis (hay bacillus), ragi roti Saccharomices cerevisiae, berbagai garis sel mamalia. Rentang objek dampak rekayasa genetika terus berkembang. Bidang penelitian tentang penciptaan tanaman dan hewan transgenik sedang dikembangkan secara intensif. Generasi terbaru vaksin terhadap berbagai agen infeksi dibuat menggunakan metode rekayasa genetika (yang pertama dibuat berdasarkan ragi yang menghasilkan protein permukaan virus hepatitis B manusia). Banyak perhatian diberikan pada pengembangan vektor kloning berbasis virus mamalia dan penggunaannya untuk pembuatan vaksin polivalen hidup untuk kebutuhan kedokteran hewan dan obat-obatan, serta vektor molekuler untuk terapi gen tumor kanker dan penyakit keturunan. Sebuah metode telah dikembangkan untuk pengenalan langsung recDNA ke dalam organisme manusia dan hewan, yang mengarahkan produksi antigen dari berbagai agen infeksi dalam sel mereka (vaksinasi DNA). Tren terbaru dalam rekayasa genetika adalah pembuatan vaksin yang dapat dimakan berdasarkan tanaman transgenik seperti tomat, wortel, kentang, jagung, selada, dll, yang menghasilkan protein imunogenik dari agen infeksi.
Ketakutan terkait dengan pelaksanaan eksperimen rekayasa genetika. Segera setelah percobaan pertama yang berhasil memperoleh recDNA, sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh P. Berg mengusulkan pembatasan sejumlah percobaan rekayasa genetika. Ketakutan ini didasarkan pada fakta bahwa sifat organisme yang mengandung informasi genetik asing sulit diprediksi. Mereka dapat memperoleh tanda-tanda yang tidak diinginkan, mengganggu keseimbangan ekologi, menyebabkan munculnya dan penyebaran penyakit yang tidak biasa pada manusia, hewan, dan tumbuhan. Selain itu, telah dicatat bahwa intervensi manusia dalam perangkat genetik organisme hidup adalah tidak bermoral dan dapat menyebabkan konsekuensi sosial dan etika yang tidak diinginkan. Pada tahun 1975, masalah ini dibahas pada konferensi internasional di Asilomar (AS). Para pesertanya sampai pada kesimpulan bahwa perlu untuk terus menggunakan metode rekayasa genetika, tetapi dengan kepatuhan wajib terhadap aturan dan rekomendasi tertentu. Selanjutnya, aturan-aturan ini, yang ditetapkan di sejumlah negara, secara signifikan dilonggarkan dan direduksi menjadi metode umum dalam penelitian mikrobiologi, pembuatan alat pelindung khusus yang mencegah penyebaran agen biologis di lingkungan, penggunaan vektor yang aman dan sel penerima yang tidak berkembang biak dalam kondisi alami.
Seringkali, rekayasa genetika dipahami hanya sebagai pekerjaan dengan recDNA, dan istilah "kloning molekuler", "kloning DNA", "kloning gen" digunakan sebagai sinonim untuk rekayasa genetika. Namun, semua konsep ini hanya mencerminkan isi dari operasi rekayasa genetika individu dan oleh karena itu tidak setara dengan istilah "rekayasa genetika". Di Rusia, istilah "rekayasa genetika" secara luas digunakan sebagai sinonim untuk rekayasa genetika. Namun, isi semantik dari istilah-istilah ini berbeda: rekayasa genetika bertujuan untuk menciptakan organisme dengan program genetik baru, sedangkan istilah "rekayasa genetika" menjelaskan bagaimana hal ini dilakukan - dengan memanipulasi gen.
Lit.: Shchelkunov S. N. Kloning gen. Novosib., 1986; dia adalah. rekayasa genetika. edisi ke-2, Novosib., 2004; Watson J., Tooze J., Kurtz D. DNA rekombinan. M., 1986; kloning DNA. Metode. M., 1988; Baru dalam kloning DNA: Metode. M., 1989.
1. Kemungkinan rekayasa genetika. 4
2. Sejarah rekayasa genetika. 6
3. Rekayasa genetika sebagai ilmu. Metode rekayasa genetika. sepuluh
4. Bidang penerapan rekayasa genetika. 12
5. Fakta ilmiah tentang bahaya rekayasa genetika. delapan belas
Kesimpulan. 22
Referensi.. 23
pengantar
Topik rekayasa genetika menjadi semakin populer dalam beberapa tahun terakhir. Sebagian besar perhatian diberikan pada konsekuensi negatif yang dapat ditimbulkan oleh pengembangan cabang ilmu ini, dan manfaat yang dapat dibawa oleh rekayasa genetika hingga tingkat yang sangat kecil tercakup.
Area aplikasi yang paling menjanjikan adalah produksi obat-obatan menggunakan teknologi rekayasa genetika. Baru-baru ini, menjadi mungkin untuk mendapatkan vaksin yang bermanfaat berdasarkan tanaman transgenik. Yang tidak kalah menarik adalah produksi produk makanan menggunakan semua teknologi yang sama.
Rekayasa genetika adalah ilmu masa depan. Saat ini, jutaan hektar lahan di seluruh dunia sedang ditanami tanaman transgenik, obat-obatan unik dan produsen baru zat bermanfaat sedang diciptakan. Seiring waktu, rekayasa genetika akan memungkinkan kemajuan baru di bidang kedokteran, pertanian, pengolahan makanan dan peternakan.
Tujuan dari pekerjaan ini adalah untuk mempelajari ciri-ciri kemungkinan, sejarah perkembangan dan ruang lingkup rekayasa genetika.
1. Kemungkinan rekayasa genetika
Komponen penting dari bioteknologi adalah rekayasa genetika. Lahir di awal tahun 70-an, dia telah mencapai kesuksesan besar hari ini. Teknik rekayasa genetika mengubah bakteri, ragi, dan sel mamalia menjadi "pabrik" untuk produksi protein skala besar apa pun. Ini memungkinkan untuk menganalisis secara rinci struktur dan fungsi protein dan menggunakannya sebagai obat. Saat ini, Escherichia coli (E. coli) telah menjadi pemasok hormon penting seperti insulin dan somatotropin. Sebelumnya, insulin didapat dari sel pankreas hewan, sehingga biayanya sangat mahal. Untuk mendapatkan 100 g insulin kristal, diperlukan 800-1000 kg pankreas, dan satu kelenjar sapi memiliki berat 200-250 gram. Hal ini membuat insulin menjadi mahal dan sulit untuk diakses oleh banyak penderita diabetes. Pada tahun 1978, para peneliti di Genentech membuat insulin pertama dalam strain Escherichia coli yang direkayasa secara khusus. Insulin terdiri dari dua rantai polipeptida A dan B, dengan panjang 20 dan 30 asam amino. Ketika mereka dihubungkan oleh ikatan disulfida, insulin rantai ganda asli terbentuk. Telah terbukti bebas dari protein E. coli, endotoksin dan kotoran lainnya, tidak memiliki efek samping seperti insulin hewani, dan tidak memiliki aktivitas biologis.
berbeda. Selanjutnya, proinsulin disintesis dalam sel E. coli, yang salinan DNA disintesis pada template RNA menggunakan reverse transcriptase. Setelah pemurnian proinsulin yang diperoleh, itu dipecah dan insulin asli diperoleh, sedangkan tahapan ekstraksi dan isolasi hormon diminimalkan. Dari 1000 liter cairan biakan, hingga 200 gram hormon dapat diperoleh, yang setara dengan jumlah insulin yang dikeluarkan dari 1600 kg pankreas babi atau sapi.
Somatotropin adalah hormon pertumbuhan manusia yang disekresikan oleh kelenjar pituitari. Kurangnya hormon ini menyebabkan dwarfisme hipofisis. Jika somatotropin diberikan dalam dosis 10 mg per kg berat badan tiga kali seminggu, maka dalam setahun seorang anak yang menderita kekurangannya dapat tumbuh 6 cm produk farmasi akhir. Dengan demikian, jumlah hormon yang tersedia terbatas, apalagi hormon yang dihasilkan dengan metode ini bersifat heterogen dan dapat mengandung virus yang berkembang lambat. Perusahaan "Genentec" pada tahun 1980 mengembangkan teknologi untuk produksi hormon pertumbuhan dengan bantuan bakteri, yang tidak memiliki kekurangan ini. Pada tahun 1982, hormon pertumbuhan manusia diperoleh dalam kultur E. coli dan sel hewan di Institut Pasteur di Prancis, dan sejak 1984, produksi industri insulin telah dimulai di Uni Soviet. Dalam produksi interferon, baik E. coli, S. cerevisae (ragi), dan kultur fibroblas atau leukosit yang ditransformasi digunakan. Vaksin yang aman dan murah juga diperoleh dengan cara yang serupa.
Produksi probe DNA yang sangat spesifik didasarkan pada teknologi DNA rekombinan, dengan bantuan mereka mempelajari ekspresi gen dalam jaringan, lokalisasi gen dalam kromosom, dan mengidentifikasi gen yang memiliki fungsi terkait (misalnya, pada manusia dan ayam). ). Probe DNA juga digunakan dalam diagnosis berbagai penyakit.
Teknologi DNA rekombinan telah memungkinkan pendekatan gen protein yang tidak konvensional yang disebut genetika terbalik. Dengan pendekatan ini, protein diisolasi dari sel, gen protein ini dikloning, dan dimodifikasi, menciptakan gen mutan yang mengkode bentuk protein yang diubah. Gen yang dihasilkan dimasukkan ke dalam sel. Jika diekspresikan, sel yang membawanya dan turunannya akan mensintesis protein yang diubah. Dengan cara ini, gen yang rusak dapat diperbaiki dan penyakit keturunan diobati.
Jika DNA hibrida dimasukkan ke dalam telur yang dibuahi, organisme transgenik dapat diperoleh yang mengekspresikan gen mutan dan meneruskannya ke keturunannya. Transformasi genetik hewan memungkinkan untuk menetapkan peran gen individu dan produk proteinnya baik dalam pengaturan aktivitas gen lain maupun dalam berbagai proses patologis. Dengan bantuan rekayasa genetika, garis hewan yang tahan terhadap penyakit virus, serta keturunan hewan dengan sifat yang berguna bagi manusia, telah dibuat. Misalnya, mikroinjeksi DNA rekombinan yang mengandung gen somatotropin sapi ke dalam zigot kelinci memungkinkan untuk memperoleh hewan transgenik dengan hiperproduksi hormon ini. Hewan yang dihasilkan telah diucapkan akromegali.
Pembawa bahan dasar gen adalah kromosom, yang meliputi DNA dan protein. Tetapi gen-gen pembentuk bukanlah kimiawi, melainkan fungsional. Dari sudut pandang fungsional, DNA terdiri dari banyak blok yang menyimpan sejumlah informasi tertentu - gen. Tindakan gen didasarkan pada kemampuannya untuk menentukan sintesis protein melalui RNA. Dalam molekul DNA, seolah-olah, informasi dicatat yang menentukan struktur kimia molekul protein. Gen adalah bagian dari molekul DNA yang berisi informasi tentang struktur utama protein tunggal (satu gen - satu protein). Karena ada puluhan ribu protein dalam organisme, ada juga puluhan ribu gen. Totalitas semua gen sel membentuk genomnya. Semua sel tubuh mengandung set gen yang sama, tetapi masing-masing sel mengimplementasikan bagian yang berbeda dari informasi yang disimpan. Oleh karena itu, misalnya, sel saraf berbeda dari sel hati baik dalam fitur struktural maupun fungsional dan biologis.
Kini, bahkan sulit untuk memprediksi semua peluang yang akan terwujud dalam beberapa dekade mendatang.
2. Sejarah rekayasa genetika
Sejarah teknologi medis dan biologi yang tinggi, metode penelitian genetika, serta rekayasa genetika itu sendiri, secara langsung berkaitan dengan keinginan abadi manusia untuk meningkatkan keturunan hewan peliharaan dan tanaman budidaya. Dengan memilih individu-individu tertentu dari kelompok hewan dan tumbuhan dan menyilangkannya satu sama lain, manusia, tidak memiliki gagasan yang benar tentang esensi batin dari proses yang terjadi di dalam makhluk hidup, namun, selama ratusan dan ribuan tahun diciptakan meningkatkan jenis hewan dan varietas tumbuhan yang memiliki sifat-sifat tertentu yang berguna dan diperlukan bagi manusia.
Pada abad 18 dan 19, banyak upaya dilakukan untuk mengetahui bagaimana tanda ditransmisikan dari generasi ke generasi. Satu penemuan penting dibuat pada tahun 1760 oleh ahli botani Kellreuter, yang menyilangkan dua jenis tembakau dengan memindahkan serbuk sari dari satu jenis benang sari ke jenis putik lainnya. Tanaman yang diperoleh dari benih hibrida memiliki sifat-sifat antara kedua tetua. Kellerreiter secara logis menyimpulkan dari sini bahwa sifat-sifat orang tua ditransmisikan baik melalui serbuk sari (sel benih) dan melalui bakal biji (ovum). Namun, baik dia maupun orang-orang sezamannya, yang terlibat dalam hibridisasi tumbuhan dan hewan, gagal mengungkapkan sifat mekanisme transmisi hereditas. Ini sebagian disebabkan oleh fakta bahwa pada saat itu dasar sitologis dari mekanisme ini belum diketahui, tetapi terutama karena fakta bahwa para ilmuwan mencoba mempelajari pewarisan semua sifat tanaman secara bersamaan.
Pendekatan ilmiah dalam mempelajari pewarisan sifat dan sifat tertentu dikembangkan oleh biarawan Katolik Austria Gregor Mendel, yang pada musim panas 1865 memulai eksperimennya pada hibridisasi tanaman (melintasi berbagai varietas kacang polong) di wilayah biaranya. Dia menemukan untuk pertama kalinya hukum dasar genetika. Gregor Mendel berhasil karena ia mempelajari pewarisan sifat-sifat yang berbeda, berbeda (berlawanan), menghitung jumlah keturunan dari setiap jenis, dan dengan hati-hati menyimpan catatan rinci dari semua eksperimen persilangannya. Kenalan dengan dasar-dasar matematika memungkinkannya untuk menafsirkan dengan benar data yang diperoleh dan mengajukan asumsi bahwa setiap sifat ditentukan oleh dua faktor keturunan. Bhikkhu-peneliti berbakat itu kemudian dapat dengan jelas menunjukkan bahwa sifat-sifat turun-temurun tidak bercampur, tetapi ditransmisikan ke keturunannya dalam bentuk unit-unit tertentu. Kesimpulan brilian ini kemudian sepenuhnya dikonfirmasi ketika dimungkinkan untuk melihat kromosom dan menemukan fitur dari berbagai jenis pembelahan sel: mitosis (sel somatik - sel tubuh), meiosis (seks, reproduksi, germinal) dan pembuahan.
Mendel melaporkan hasil karyanya pada pertemuan Brunn Society of Naturalists dan mempublikasikannya dalam prosiding masyarakat ini. Pentingnya hasilnya tidak dipahami oleh orang-orang sezamannya, dan studi ini tidak menarik perhatian pemulia tanaman dan naturalis selama hampir 35 tahun.
Pada tahun 1900, setelah rincian pembelahan sel menurut jenis mitosis, meiosis dan pembuahan itu sendiri diketahui, tiga peneliti - de Vries di Belanda, Correns di Jerman dan Tschermak di Austria - melakukan serangkaian percobaan dan, secara independen satu sama lain. , menemukan kembali hukum hereditas, yang sebelumnya dijelaskan oleh Mendel. Kemudian, setelah menemukan artikel Mendel, di mana hukum-hukum ini dirumuskan dengan jelas 35 tahun sebelumnya, para ilmuwan ini dengan suara bulat memberi penghormatan kepada ilmuwan biksu itu, menyebutkan dua hukum dasar hereditas menurut namanya.
Pada dekade pertama abad ke-20, eksperimen dilakukan dengan tumbuhan dan hewan yang paling beragam, dan banyak pengamatan dilakukan mengenai pewarisan sifat pada manusia, yang dengan jelas menunjukkan bahwa hereditas mematuhi hukum dasar yang sama di semua organisme ini. Ditemukan bahwa faktor-faktor yang dijelaskan oleh Mendel yang menentukan sifat tertentu terletak di dalam kromosom inti sel. Selanjutnya, pada tahun 1909, unit-unit ini dinamai oleh ahli botani Denmark gen Johansen (dari kata Yunani "genos" - genus, asal), dan ilmuwan Amerika William Setton memperhatikan kesamaan yang mengejutkan antara perilaku kromosom selama pembentukan gamet ( sel kelamin), pembuahannya dan transfer faktor keturunan Mendel - gen. Berdasarkan penemuan-penemuan brilian ini, apa yang disebut teori kromosom hereditas diciptakan.
Tegasnya, genetika itu sendiri, sebagai ilmu tentang hereditas dan variabilitas organisme hidup serta metode pengelolaannya, muncul pada awal abad ke-20. Ahli genetika Amerika T. Morgan, bersama dengan rekan-rekannya, melakukan banyak eksperimen yang memungkinkan untuk mengungkap dasar genetik penentuan jenis kelamin dan menjelaskan sejumlah bentuk pewarisan yang tidak biasa di mana transmisi suatu sifat tergantung pada jenis kelamin individu. (yang disebut sifat terpaut seks). Langkah besar berikutnya dibuat pada tahun 1927, ketika G. Meller menemukan bahwa dengan menyinari lalat buah Drosophila dan organisme lain dengan sinar-X, dimungkinkan untuk menginduksi perubahan gen secara artifisial di dalamnya, yaitu mutasi. Ini memungkinkan untuk memperoleh banyak gen mutan baru - bahan tambahan untuk mempelajari hereditas. Data tentang sifat mutasi telah menjadi salah satu kunci untuk memahami dan struktur gen itu sendiri.
Pada 20-an abad kita, para ilmuwan Soviet dari sekolah A.S. Serebrovsky, percobaan pertama dilakukan, menunjukkan betapa kompleksnya gen itu. Ide-ide ini digunakan oleh J. Watson dan F. Crick, yang berhasil membuat model DNA pada tahun 1953 di Inggris dan menguraikan kode genetik. Kemudian diperluas pekerjaan penelitian yang terkait dengan penciptaan tujuan kombinasi baru dari materi genetik, dan menyebabkan munculnya rekayasa genetika itu sendiri.
Pada saat yang sama, pada tahun 1940-an, sebuah studi eksperimental tentang hubungan antara gen dan enzim dimulai. Untuk tujuan ini, objek lain banyak digunakan - jamur jamur Neurospora, dari mana dimungkinkan untuk secara artifisial memperoleh dan mempelajari sejumlah mutasi biokimia yang terkait dengan hilangnya satu atau lain enzim khusus (protein). Selama dua dekade terakhir, Escherichia coli dan beberapa bakteriofag yang menginfeksi bakteri ini telah menjadi objek penelitian genetik yang paling umum.
Sejak awal abad ke-20, ada minat yang tak kunjung padam untuk mempelajari pewarisan sifat-sifat tertentu (spesifik) pada manusia dan dalam pewarisan sifat-sifat yang diinginkan dan yang tidak diinginkan secara turun-temurun pada hewan peliharaan dan tanaman budidaya. Berdasarkan pengetahuan yang terus meningkat tentang pola genetik, para ilmuwan genetika dan pemulia telah belajar, hampir sesuai pesanan, untuk membiakkan ternak yang dapat bertahan hidup di iklim panas, sapi yang menghasilkan banyak susu dengan kandungan lemak tinggi, ayam yang bertelur besar. dengan cangkang tipis, varietas jagung dan gandum, yang sangat tahan terhadap penyakit tertentu.
Pada tahun 1972, DNA hibrida (rekombinan) pertama diperoleh di AS di laboratorium P. Berg. Ide-ide menarik di bidang genetika manusia dan metode penelitian genetika mulai banyak dikembangkan dan diterapkan dalam kedokteran itu sendiri. Pada 1970-an, decoding genom manusia dimulai. Selama lebih dari satu dekade, telah ada proyek yang disebut Genom Manusia. Dari 3 miliar pasang nukleotida yang tersusun dalam jalur kontinu, sejauh ini hanya sekitar 10 juta karakter yang telah dibaca. Pada saat yang sama, teknik genetik baru sedang dibuat yang meningkatkan kecepatan membaca DNA. Direktur Pusat Genetika Medis dari Akademi Ilmu Kedokteran Rusia V.I. Ivanov yakin bahwa "seluruh genom akan terbaca sekitar tahun 2020."
3. Rekayasa genetika sebagai ilmu. Metode rekayasa genetika
Rekayasa genetika adalah konstruksi in vitro dari struktur genetik yang aktif secara fungsional (DNA rekombinan), atau dengan kata lain, penciptaan program genetik buatan (Baev A.A.). Menurut E.S. Rekayasa genetika Piruzyan adalah sistem metode eksperimental yang memungkinkan untuk membangun struktur genetik buatan di laboratorium (dalam tabung reaksi) dalam bentuk yang disebut molekul DNA rekombinan atau hibrida.
Kita berbicara tentang diarahkan, menurut program yang telah ditentukan, konstruksi sistem genetik molekuler di luar tubuh dengan pengenalan selanjutnya ke dalam organisme hidup. Dalam hal ini, DNA rekombinan menjadi bagian integral dari peralatan genetik organisme penerima dan memberikan sifat genetik, biokimia, dan fisiologis baru yang unik padanya.
Tujuan dari rekayasa genetika terapan adalah untuk merancang molekul DNA rekombinan yang, ketika dimasukkan ke dalam peralatan genetik, akan memberikan sifat-sifat tubuh yang berguna bagi manusia.
Teknologi DNA rekombinan menggunakan metode berikut:
Pembelahan spesifik DNA oleh nuklease restriksi, mempercepat isolasi dan manipulasi gen individu;
Urutan cepat semua nukleotida dari fragmen DNA murni, yang memungkinkan Anda untuk menentukan batas-batas gen dan urutan asam amino yang dikodekan olehnya;
Konstruksi DNA rekombinan;
Hibridisasi asam nukleat, yang memungkinkan pendeteksian sekuens RNA atau DNA spesifik dengan akurasi dan sensitivitas yang lebih besar berdasarkan kemampuannya untuk mengikat sekuens asam nukleat komplementer;
Kloning DNA: amplifikasi in vitro dengan reaksi berantai polimerase atau pengenalan fragmen DNA ke dalam sel bakteri, yang, setelah transformasi tersebut, mereproduksi fragmen ini dalam jutaan salinan;
Pengenalan DNA rekombinan ke dalam sel atau organisme.
4. Bidang penerapan rekayasa genetika
Penemuan-penemuan ilmiah yang saat ini sedang dilakukan di bidang genetika manusia sebenarnya sangat penting secara revolusioner, karena kita berbicara tentang kemungkinan untuk membuat "peta genom manusia", atau "anatomi patologis genom manusia". Peta genetik ini akan memungkinkan lokasi gen yang bertanggung jawab atas penyakit keturunan tertentu pada heliks DNA yang panjang. Menurut para ilmuwan genetika, kemungkinan tak terbatas ini membentuk dasar untuk gagasan penerapan dalam praktik klinis apa yang disebut terapi gen, yang merupakan arahan dalam perawatan pasien yang terkait dengan penggantian gen yang terpengaruh menggunakan teknologi biomedis tinggi. dan rekayasa genetika. Penyusupan ke dalam komposisi sistem gen manusia dan memastikan aktivitas vital mereka dimungkinkan baik pada tingkat sel somatik (tubuh apa pun, memiliki perbedaan struktural dan fungsional tertentu), dan pada tingkat jenis kelamin, reproduksi (germinal) dan germinal sel (embrio).
Rekayasa genetika sebagai jenis terapi - pengobatan penyakit tertentu yang ditentukan secara genetik - dikaitkan dengan pasokan molekul DNA non-cacat yang sesuai untuk menggantikan dengan bantuannya gen itu - bagian dari kromosom yang mengandung cacat, atau mengintegrasikannya ke dalam materi genetik manusia dengan menggabungkannya dengan apa yang disebut sel-sel somatik tubuh manusia yang memiliki cacat genetik. Tugas rekayasa genetika dalam kaitannya dengan seseorang adalah untuk memberikan efek target yang sesuai pada gen tertentu untuk memperbaikinya ke arah fungsi yang tepat dan memberikan seseorang yang menderita penyakit keturunan dengan versi gen yang normal dan tidak berubah. . Tidak seperti terapi obat, terapi ini, yang disebut rekayasa genetika, kemungkinan akan memberikan pasien pengobatan yang lama, berkepanjangan, sangat efektif yang membawa kelegaan dan manfaat yang besar.
Namun, semua metode modern untuk memasukkan DNA ke dalam organisme hidup tidak dapat mengarahkan dan mengirimkannya ke populasi sel tertentu yang mengandung gen yang berubah dan karena itu tidak berfungsi. Dengan kata lain, apa yang disebut transfer terarah, pengangkutan gen di bawah kondisi tubuh (dalam model "in vivo"), saat ini tidak mungkin.
Pendekatan metodologis lain berdasarkan ekstraksi populasi sel tertentu yang mengandung gen yang terpengaruh dari tubuh pasien dan memanipulasi materi genetik dengan mengganti gen yang rusak dalam sel menggunakan rekayasa genetika (dalam model "in vitro") dan mengembalikannya ke tempat yang sama di tubuh, di mana mereka diambil dari pasien, saat ini dimungkinkan dalam kondisi pusat genetik medis. Metode terapi gen melalui rekayasa genetika ini telah digunakan dalam upaya eksperimental untuk menyembuhkan dua pasien yang menderita penyakit langka yang ditentukan secara genetik, yang disebut talasemia beta, yang, seperti anemia sel sabit, juga disebabkan oleh adanya protein yang tersusun secara tidak normal dan karena itu tidak berfungsi dalam sel darah merah. Inti dari manipulasi adalah bahwa apa yang disebut sel induk diisolasi dari sumsum tulang pasien ini, ke dalam kromosom di mana bagian DNA yang bertanggung jawab untuk produksi protein hemoglobulin normal diperkenalkan - gen. Setelah sel-sel induk yang tidak berfungsi yang tersisa di sumsum tulang pasien hampir sepenuhnya dihancurkan, sel-sel induk yang direkayasa secara genetik dimasukkan ke dalam pasien. Sayangnya, kedua upaya ini secara klinis tidak berhasil, karena pasien meninggal. Kasus pertama rekayasa genetika di lingkungan rumah sakit ini tidak diizinkan atau disetujui oleh komite kontrol yang relevan, dan para pesertanya sangat dikutuk karena pelanggaran berat terhadap aturan untuk melakukan penelitian di bidang genetika manusia.
Rekayasa genetika sel reproduksi (seks) dapat menyebabkan konsekuensi yang sama sekali berbeda, karena pengenalan DNA ke dalam sel-sel ini berbeda dari koreksi cacat genetik pada sel somatik (tubuh, non-seks). Diketahui bahwa pengenalan gen lain ke dalam kromosom sel germinal menyebabkan transmisi mereka ke generasi berikutnya. Pada prinsipnya, orang dapat membayangkan penambahan bagian DNA tertentu sebagai pengganti bagian yang rusak pada materi genetik dari setiap sel yang bereproduksi dari orang tertentu yang menderita satu atau lain penyakit yang telah ditentukan sebelumnya secara genetik.
Memang, ini telah dicapai pada tikus. Jadi, telur diperoleh dari ovarium wanita, yang kemudian dibuahi dalam tabung reaksi (in vitro), dan kemudian segmen DNA asing dimasukkan ke dalam kromosom telur yang dibuahi. Telur yang dibuahi yang sama dengan genom yang dimodifikasi ditanamkan (diperkenalkan) ke dalam rahim ibu dari tikus betina. Sumber DNA asing dalam satu percobaan adalah bahan genetik kelinci, dan di percobaan lain - manusia.
Untuk mendeteksi selama periode perkembangan intrauterin janin kemungkinan kelahiran anak dengan kelainan genetik tertentu, seperti, misalnya, sindrom Down atau penyakit Tay-Sachs, teknik penelitian yang disebut amniosentesis adalah digunakan - analisis prenatal, di mana sampel cairan biologis yang mengandung sel germinal diambil dari kantung ketuban pada awal trimester kedua kehamilan. Selain itu, metode pengambilan berbagai sel janin dari sampel darah plasenta ibu telah dikembangkan lebih lanjut. Sel-sel rahim yang diperoleh dengan cara ini saat ini hanya dapat digunakan untuk mendeteksi sejumlah terbatas penyakit yang ditentukan secara genetik di mana terdapat pelanggaran berat dalam struktur DNA dan perubahan yang ditentukan dengan menggunakan analisis biokimia. Rekayasa genetika menggunakan DNA rekombinan dalam penelitian janin membuka kemungkinan untuk mendiagnosis dengan benar berbagai dan banyak penyakit keturunan.
Dalam hal ini, metode sedang dikembangkan untuk membuat apa yang disebut "penyelidikan" gen, yang dengannya dimungkinkan untuk menentukan apakah ada gen yang normal dan tidak berubah dalam kromosom atau ada gen yang cacat dan abnormal. Selain itu, rekayasa genetika yang terkait dengan penggunaan DNA rekombinan, yang pada salah satu tahap pembentukannya, di masa depan akan memungkinkan apa yang disebut "perencanaan" gen manusia, sehingga gen tertentu yang membawa terdistorsi, informasi patologis dan karena itu menarik bagi ahli genetika, dapat dideteksi tepat waktu dan cukup cepat dengan analogi dengan metode menggunakan gen "berlabel" lain. Teknik biomedis yang canggih ini akan membantu dalam menemukan setiap gen dalam sel rahim, bukan hanya gen yang memungkinkan untuk mendeteksi berbagai kelainan dengan menggunakan teknik amniosentesis.
Dalam hal ini, dalam beberapa tahun terakhir, bagian baru dari ilmu biomedis telah muncul, seperti, misalnya, teknologi DNA tinggi, terapi embrionik dan terapi sel (sitoterapi), yaitu diagnosis intrauterin dan pengobatan penyakit yang ditentukan secara genetik seperti pada tahap pembentukan dan perkembangan embrio (embrio), dan pada tahap pematangan janin. Intrusi ke dalam dan manipulasi materi embrio memiliki dampak langsung pada pewarisan perubahan genetik, karena mereka memiliki kemampuan untuk ditransmisikan dari generasi ke generasi. Selain itu, diagnosis genetik itu sendiri mulai berkembang menjadi prediksi genetik, yaitu, dalam menentukan nasib masa depan seseorang, mengkonsolidasikan perubahan revolusioner utama dalam kedokteran itu sendiri, yang, sebagai hasil dari eksperimen dan teknik genetik medis yang kompleks, menjadi mungkin jauh sebelum munculnya "gambaran klinis penyakit" , kadang-kadang bahkan sebelum kelahiran seseorang, untuk menentukan penyakit keturunan apa yang mengancamnya. Jadi, berkat upaya ahli genetika dan spesialis di bidang rekayasa genetika, apa yang disebut "obat prediktif" lahir di kedalaman ilmu biomedis, yaitu kedokteran yang "membuat prediksi untuk masa depan."
Pada saat yang sama, berbagai teknologi dan teknik rekayasa genetika memungkinkan untuk memprediksi bahkan pada periode prenatal perkembangan anak, sebelum kelahirannya, tidak hanya adanya penyakit keturunan tertentu dalam dirinya, tetapi juga untuk menggambarkan secara rinci sifat genetik medis dari embrio dan janin yang sedang tumbuh.
Dengan akumulasi data baru tentang pemetaan genetik genom manusia dan deskripsi (pengurutan) DNA-nya, dan juga karena metode modern yang dikembangkan untuk mempelajari polimorfisme DNA memungkinkan untuk menyediakan informasi genetik tentang struktur dan fungsional tertentu (termasuk patologis) fitur tubuh manusia, yang, tampaknya, akan memanifestasikan dirinya di masa depan, tetapi belum terlihat sekarang, menjadi mungkin untuk memperoleh, dengan bantuan diagnosa genetik medis, semua informasi genetik tentang anak, tidak hanya secara praklinis , yaitu, sebelum manifestasi penyakit keturunan tertentu, dan sebelum lahir, yaitu, sebelum kelahirannya , tetapi juga secara reseptif, yaitu, bahkan sebelum pembuahannya.
Di masa mendatang, berkat keberhasilan dan kemajuan di bidang diagnosa genetik medis, dimungkinkan, menurut diagnosa DNA, untuk menilai dengan cukup percaya diri, misalnya, berapa tinggi seseorang, kemampuan mentalnya, kecenderungan penyakit tertentu (khususnya, onkologis atau mental), ditakdirkan untuk manifestasi dan perkembangan penyakit keturunan apa pun.
Teknologi biomedis modern memungkinkan untuk mendeteksi berbagai kelainan pada gen yang dapat memanifestasikan dirinya dan menyebabkan penyakit tertentu, tidak hanya pada tahap penyakit yang dinyatakan secara klinis, tetapi juga ketika belum ada tanda-tanda patologi dan penyakit itu sendiri tidak akan memanifestasikan dirinya. begitu cepat. Contohnya dapat mempengaruhi seseorang yang berusia di atas 40 tahun, dan bahkan pada usia 70 tahun, penyakit Alzheimer dan korea Huntington. Namun, bahkan dalam kasus ini, adalah mungkin untuk mendeteksi gen yang dapat menyebabkan penyakit serupa pada manusia, bahkan sebelum konsepsi pasien itu sendiri. Juga diketahui bahwa diabetes mellitus dapat diklasifikasikan di antara penyakit-penyakit tersebut. Kecenderungan penyakit ini dan patologi yang ditentukan secara genetik itu sendiri diwariskan dan dapat memanifestasikan dirinya dalam kasus ketidakpatuhan dengan gaya hidup tertentu di masa dewasa atau usia tua. Dapat dinyatakan dengan kepastian yang masuk akal bahwa jika kedua orang tua atau salah satu dari mereka menderita diabetes, maka kemungkinan mewarisi gen "diabetes" atau kombinasi dari gen tersebut diturunkan kepada anak-anak.
Pada saat yang sama, dimungkinkan untuk melakukan studi biomedis yang tepat dan membuat diagnosis yang benar dengan adanya sejumlah kecil bahan biologis secara mikroskopis. Terkadang beberapa sel individu sudah cukup untuk ini, yang akan diperbanyak dalam kultur in vitro, dan "potret genetik" dari orang yang diuji akan diperoleh dari mereka, tentu saja, tidak untuk semua gen genomnya (ada puluhan ribu dari mereka!), tetapi bagi mereka yang memiliki alasan bagus untuk mencurigai cacat tertentu. Pengembangan simultan metode rekayasa seluler dan genetika akan memungkinkan pada tahap selanjutnya dari kognisi genom untuk menemukan kemungkinan praktis secara sewenang-wenang, dan, di atas segalanya, untuk tujuan terapeutik, untuk mengubah urutan dan urutan gen, komposisi dan strukturnya.
Kedokteran bukan satu-satunya bidang aplikasi rekayasa genetika. Bedakan rekayasa genetika tanaman, rekayasa genetika sel bakteriologis.
Baru-baru ini, peluang baru telah muncul dalam memperoleh vaksin "yang dapat dimakan" berdasarkan tanaman transgenik.
Kemajuan besar telah dibuat dalam tanaman transgenik di dunia. Mereka sebagian besar terkait dengan fakta bahwa masalah memperoleh organisme dari sel, sekelompok sel, atau embrio yang belum matang pada tanaman sekarang bukan masalah besar. Teknologi sel, kultur jaringan dan penciptaan agen regenerasi banyak digunakan dalam ilmu pengetahuan modern.
Pertimbangkan pencapaian di bidang penanaman tanaman, yang diperoleh di Institut Fisiologi dan Biokimia Tanaman Siberia, Cabang Siberia dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia.
Dengan demikian, dalam beberapa tahun terakhir, sejumlah tanaman transgenik telah diperoleh dengan mentransfer gen ugt, acp, acb, accc, dan lainnya yang diisolasi dari berbagai objek tanaman ke dalam genomnya.
Sebagai hasil dari pengenalan gen-gen ini, tanaman transgenik gandum, kentang, tomat, mentimun, kedelai, kacang polong, lobak, stroberi, aspen dan beberapa lainnya muncul.
Pengenalan gen dilakukan baik dengan "menembak" jaringan dengan "senjata gen" (desain yang dikembangkan di lembaga kami), atau oleh vektor genetik berdasarkan plasmid agrobakteri dengan gen target tertanam dan promotor yang sesuai.
Akibatnya, sejumlah bentuk transgenik baru telah terbentuk. Berikut adalah beberapa di antaranya.
Gandum transgenik (2 varietas), yang memiliki pertumbuhan dan anakan yang jauh lebih intensif, diduga lebih tahan terhadap kekeringan dan faktor lingkungan lain yang merugikan. Produktivitasnya dan pewarisan properti yang diperoleh sedang dipelajari.
Kentang transgenik, yang telah diamati selama tiga tahun. Ini secara konsisten menghasilkan 50-90 persen lebih tinggi daripada kontrol, telah memperoleh ketahanan yang hampir lengkap terhadap herbisida auksin, dan, di samping itu, umbinya "menghitam" lebih sedikit pada pemotongan karena penurunan aktivitas polifenol oksidase.
Tomat transgenik (beberapa varietas), ditandai dengan anakan dan hasil yang lebih besar. Di rumah kaca, hasilnya hingga 46 kg per meter persegi (lebih dari dua kali lebih tinggi dari kontrol).
Mentimun transgenik (beberapa varietas) memberikan bunga yang lebih subur dan, akibatnya, buah-buahan dengan hasil hingga 21 kg per meter persegi dibandingkan dengan 13,7 pada kontrol.
Ada juga bentuk transgenik dari tanaman lain, banyak di antaranya juga memiliki sejumlah sifat ekonomi yang berguna.
Rekayasa genetika adalah ilmu hari ini dan masa depan. Saat ini, puluhan juta hektar sedang ditabur dengan tanaman transgenik di dunia, obat-obatan baru, produsen baru zat bermanfaat sedang dibuat. Seiring waktu, rekayasa genetika akan menjadi alat yang semakin kuat untuk kemajuan baru dalam kedokteran, kedokteran hewan, farmakologi, industri makanan, dan pertanian.
5. Fakta ilmiah tentang bahaya rekayasa genetika
Perlu dicatat bahwa seiring dengan kemajuan yang dibawa oleh perkembangan rekayasa genetika, beberapa fakta bahaya rekayasa genetika dibedakan, yang utama disajikan di bawah ini.
1. Rekayasa genetika pada dasarnya berbeda dari pemuliaan varietas dan keturunan baru. Penambahan buatan gen asing sangat mengganggu kontrol genetik sel normal yang disetel dengan baik. Manipulasi gen pada dasarnya berbeda dari kombinasi kromosom ibu dan ayah yang terjadi pada persilangan alami.
2. Rekayasa genetika saat ini secara teknis belum sempurna, karena tidak mampu mengontrol proses penyisipan gen baru. Oleh karena itu, tidak mungkin untuk memprediksi situs penyisipan dan efek dari gen yang ditambahkan. Bahkan jika lokasi gen dapat ditentukan setelah penyisipannya ke dalam genom, pengetahuan DNA yang tersedia sangat tidak lengkap untuk memprediksi hasilnya.
3. Sebagai hasil dari penambahan buatan gen asing, zat berbahaya dapat terbentuk secara tidak terduga. Dalam kasus terburuk, ini bisa menjadi zat beracun, alergen, atau zat tidak sehat lainnya. Informasi tentang kemungkinan semacam ini masih sangat tidak lengkap.
4. Tidak ada metode pengujian yang benar-benar dapat diandalkan untuk tidak berbahaya. Lebih dari 10% efek samping serius dari obat baru tidak dapat diidentifikasi meskipun studi keamanan dilakukan dengan hati-hati. Risiko bahwa sifat-sifat berbahaya dari makanan baru yang direkayasa secara genetik akan luput dari perhatian mungkin jauh lebih besar daripada dalam kasus obat-obatan.
5. Persyaratan saat ini untuk pengujian tidak berbahaya sangat tidak mencukupi. Mereka jelas dirancang sedemikian rupa untuk menyederhanakan proses persetujuan. Mereka memungkinkan penggunaan metode pengujian yang sangat tidak sensitif untuk tidak berbahaya. Oleh karena itu, ada risiko signifikan bahwa bahan makanan yang tidak sehat dapat lolos pemeriksaan tanpa terdeteksi.
6. Makanan rekayasa genetika sejauh ini tidak memiliki nilai yang signifikan bagi umat manusia. Produk-produk ini hanya melayani kepentingan komersial.
7. Pengetahuan tentang pengaruhnya terhadap lingkungan organisme yang dimodifikasi oleh rekayasa genetika dan dibawa ke sana sama sekali tidak mencukupi. Belum dapat dibuktikan bahwa organisme hasil rekayasa genetika tidak akan menimbulkan dampak yang merugikan bagi lingkungan. Ahli ekologi telah berspekulasi tentang berbagai potensi komplikasi lingkungan. Misalnya, ada banyak peluang untuk penyebaran tak terkendali dari gen yang berpotensi berbahaya yang digunakan oleh rekayasa genetika, termasuk transfer gen oleh bakteri dan virus. Komplikasi yang disebabkan di lingkungan cenderung tidak dapat diperbaiki, karena gen yang dilepaskan tidak dapat diambil kembali.
8. Virus baru dan berbahaya mungkin muncul. Telah dibuktikan secara eksperimental bahwa gen virus yang dibangun ke dalam genom dapat bergabung dengan gen virus menular (yang disebut rekombinasi). Virus baru ini mungkin lebih agresif daripada yang asli. Virus juga bisa menjadi kurang spesifik spesies. Misalnya, virus tanaman dapat menjadi berbahaya bagi serangga, hewan, dan juga manusia yang bermanfaat.
9. Pengetahuan tentang zat keturunan, DNA, sangat tidak lengkap. Hanya 3% DNA yang diketahui berfungsi. Beresiko untuk memanipulasi sistem yang kompleks, pengetahuan tentang yang tidak lengkap. Pengalaman yang luas di bidang biologi, ekologi dan kedokteran menunjukkan bahwa ini dapat menyebabkan masalah dan gangguan serius yang tidak terduga.
10. Rekayasa genetika tidak akan menyelesaikan masalah kelaparan dunia. Klaim bahwa rekayasa genetika dapat memberikan kontribusi yang signifikan untuk memecahkan masalah kelaparan dunia adalah mitos yang tidak berdasar secara ilmiah.
Kesimpulan
Rekayasa genetika adalah metode bioteknologi yang berhubungan dengan penelitian tentang penataan ulang genotipe. Genotipe bukan hanya jumlah mekanis gen, tetapi sistem kompleks yang telah berkembang dalam proses evolusi organisme. Rekayasa genetika memungkinkan, melalui operasi dalam tabung reaksi, untuk mentransfer informasi genetik dari satu organisme ke organisme lain. Transfer gen memungkinkan untuk mengatasi hambatan antarspesies dan mentransfer sifat-sifat herediter individu dari satu organisme ke organisme lain.
Restrukturisasi genotipe, ketika melakukan tugas rekayasa genetika, adalah perubahan kualitatif gen yang tidak terkait dengan perubahan struktur kromosom yang terlihat di bawah mikroskop. Perubahan gen terutama terkait dengan transformasi struktur kimia DNA. Informasi tentang struktur protein, yang ditulis dalam bentuk urutan nukleotida, diwujudkan dalam bentuk urutan asam amino dalam molekul protein yang disintesis. Perubahan urutan nukleotida dalam DNA kromosom, hilangnya beberapa dan masuknya nukleotida lain, mengubah komposisi molekul RNA yang terbentuk pada DNA, dan ini, pada gilirannya, menyebabkan urutan asam amino baru selama sintesis. Akibatnya, protein baru mulai disintesis di dalam sel, yang mengarah pada munculnya sifat-sifat baru dalam tubuh. Inti dari metode rekayasa genetika terletak pada kenyataan bahwa gen individu atau kelompok gen dibangun ke dalam atau dikecualikan dari genotipe suatu organisme. Sebagai hasil penyisipan gen yang sebelumnya tidak ada ke dalam genotipe, adalah mungkin untuk memaksa sel mensintesis protein yang sebelumnya tidak disintesis.
Bibliografi
2. Lee A., Tinland B. Integrasi t-DNA ke dalam genom tanaman: prototipe dan realitas // Fisiologi Tanaman. 2000. - Jilid 47. - No. 3.
3. L. A. Lutova, N. A. Provorov, O. N. Tikhodeev, dkk., Genetika Pengembangan Tanaman. - St. Petersburg: Nauka, 2000. - 539 hal.
4. Lyadskaya M. Rekayasa genetika dapat melakukan segalanya - bahkan menumbuhkan vaksin di kebun // Buletin Farmasi. - 2000. - No. 7.
5. Romanov G. A. Rekayasa genetika tanaman dan cara-cara untuk memecahkan masalah keamanan hayati // Fisiologi Tanaman, 2000. - Volume 47. - No. 3.
6. Salyaev R. Mitos dan realitas rekayasa genetika // Sains di Siberia. - 2002. - No. 7.
7. Favorova O. O. Perawatan dengan gen - fantasi atau kenyataan? // Buletin Farmasi. - 2002. - No. 5.
Kuzmina N.A. Dasar-dasar bioteknologi: buku teks. - Omsk: OGPU, 2001. - 256 detik.
Lutova L.A., Provorov N.A., Tikhodeev O.N. dkk. Genetika perkembangan tanaman. - St. Petersburg: Nauka, 2000. - 539 hal.
Lyadskaya M. Rekayasa genetika dapat melakukan segalanya - bahkan menumbuhkan vaksin di kebun // Buletin Farmasi. - 2000. - No. 7.
Kuzmina N.A. Dasar-dasar bioteknologi: buku teks. - Omsk: OGPU, 2001. - 256 detik.
Favorova O. O. Perawatan dengan gen - fantasi atau kenyataan? // Buletin Farmasi. - 2002. - No. 5.
Salyaev R. Mitos dan realitas rekayasa genetika // Sains di Siberia. - 2002. - No. 7.
Kuzmina N.A. Dasar-dasar bioteknologi: buku teks. - Omsk: OGPU, 2001. - 256 detik.
